Сохранение целостности электрических сигналов. Пособие схемотехникам и конструкторам печатных плат. Андрей Трундов
Читать онлайн книгу.
чную стоимость макетов, опытных образцов, серийных изделий. Как покажет эта книга, ошибка часто бывает связана с недооценкой задачи сохранения целостности сигналов при разработке высокоскоростных электрических схем.
За рубежом решением задачи сохранения целостности сигналов начали заниматься еще в 70—80 гг. прошлого века. Успехи в ее решении позволили перейти от громоздких параллельных шин данных к современным высокоскоростным последовательным интерфейсам. Благодаря этому появилось цифровое телевидение, интернет, спутниковая телефония.
В нашей стране, к сожалению, даже внутри крупных предприятий отсутствуют отделы, занимающиеся решением данной задачи.
Есть наука, учителя, но нет практического осознанного применения полученных знаний. Ошибки в схемах, печатных платах, системах, могут быть обнаружены и исправлены лишь случайным образом, поскольку отсутствует единый комплексный подход и методики.
Только 1 марта 2015 г был введен межгосударственный стандарт ГОСТ IEC 61188-1-2-2013 «Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение», идентичный международному стандарту IEC 61188-1-2:1998, в котором внимание разработчиков обращено на серьезные требования, выдвигаемые современной электронной промышленностью к разработке печатных плат, как части большой и сложной системы. Межгосударственный стандарт появился через 17 лет после выхода международного стандарта практически без дополнений.
В книге представлена попытка помочь инженерам в понимании и решении вопросов, связанных с сохранением целостности исходной информации. Курсивом выделены ключевые понятия и правила, на которые рекомендуется обратить внимание.
Пример из практики
Раньше мы в домашних условиях разрабатывали и изготавливали односторонние печатные платы и не задумывались о толщине слоя металлизации, стеке печатной платы, размерах проводников. Мы считали, что достаточно правильно разработать схему, выполнить нужные соединения, обеспечить хороший контакт, и схема должна работать.
Уже сегодня, имея возможность моделирования и расчета с помощью специальных программ, большой практический опыт разработки изделий, мы можем понять причины множества сбоев и непонятного поведения предыдущих схем.
Как показывают результаты моделирования в программе Hyperlynx пакета Mentor Graphics, в односторонней печатной плате толщиной 1,5—2,0 мм и толщиной поверхностного слоя металлизации от 35 до 50 мкм, для проводника шириной от 0,2 до 0,3 мм волновое сопротивление может изменяться от 300 до 500 Ом вместо необходимых 50 Ом. В двусторонней печатной плате с аналогичными размерами волновое сопротивление может изменяться уже от 150 до 300 Ом и значительно превышает требуемые значения 50 или 75 Ом.
Такое серьезное отличие волнового сопротивления линии от заданного (а как вы узнаете позднее, важно отличие сопротивления линии передачи от сопротивления источника сигнала) и приводит к возникновению неоднородности в линии, наиболее частой причине возникновения искажений сигнала.
Сложности, связанные с отсутствием повторяемости, появлялись не только при попытке собрать «сложный» антенный усилитель для дециметрового диапазона частот, но и при настройке «более простого» усилителя звуковых частот, в котором для улучшения качества применяли лучшие операционные усилители с максимально возможной полосой пропускания и скоростью нарастания.
Также многими радиолюбителями было замечено, что радиоприемник, собранный навесным монтажом, работает практически сразу. А приемник, выполненный на печатной плате, требует значительного количества времени на настройку.
Причины искали в неправильном выборе транзистора, расчете каскадов, недостаточном запасе устойчивости, неправильно намотанной катушке индуктивности. При этом не задумывались о целостности сигнала, возможных его искажениях из-за неоднородности в линии передачи.
Что происходит с цифровым сигналом частотой, к примеру, 100 кГц с уровнями КМОП в односторонней и двусторонней печатных платах? Для моделирования в односторонней печатной плате верхний слой металлизации имеет толщину 50 мкм, слой диэлектрика имеет толщину примерно 1500 мкм. В двусторонней печатной плате добавлен нижний опорный слой толщиной 50 мкм. Ширина проводника равна 0,2 мм. Волновое сопротивление проводника по результатам моделирования равно 490 Ом для односторонней платы и равно 130 Ом для двусторонней платы.Размеры проводников, толщины слоев металлизации и диэлектрика, толщина печатной платы имеют типовые значения, на тот период времени, чтобы показать широкий спектр действия проблемы.
При напряжении +3,3 В на фронте и спаде импульса на рисунках 1 и 2 можно видеть колебательный процесс. Максимальные значения амплитуды могут заходить за порог логического нуля и логической единицы (рис. 2), что может стать причиной ложных срабатываний приемника. К улучшению качества сигнала приводит применение метода последовательного согласования (рис. 5) и установка последовательно в цепь согласующего резистора сопротивлением 480 Ом для односторонней платы и 120 Ом для двусторонней платы (расчет и описание