А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я Ё
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Выберите необходимое действие:
Меню
Свернуть
Скачать книгу Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов

Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов

Язык: Русский
Год издания: 2019 год
1 2 3 >>

Читать онлайн «Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов»

      Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов
Андрей Васильевич Трундов

Цель данной книги – обратить внимание разработчиков на то, что проводная линия передачи на высоких частотах является частью комплексной системы. От того, насколько вы захотите и сможете применить указанные правила и методики, будет зависеть работа вашей схемы, приборов, аппаратуры.Книга не претендует на полноту информации, но может стать хорошим путеводителем, первой ступенью в разработке надежных и работоспособных высокоскоростных электрических схем для радиолюбителей и инженеров.

Высокоскоростные печатные платы

Сохранение целостности электрических сигналов

Андрей Васильевич Трундов

© Андрей Васильевич Трундов, 2019

ISBN 978-5-4496-7637-5

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Предисловие

Посвящается моим учителям.

Ошибка на каждом этапе разработки и последующего производства электронной аппаратуры значительно увеличивает конечную 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.

О чем эта книга

Сначала скажу, чего вы не увидите в этой книге.

В этой книге вы не увидите рекламы! Единственный программный продукт – HyperLynx Mentor Graphics, с помощью которого я приходил к моим решениям практических задач, и благодаря которому смог представить вам иллюстрации с формами сигналов, глазковыми диаграммами и др. – не подлежит рекламе. Вы сами осознаете его ценность, когда столкнетесь со сложными профессиональными задачами. Программы расчета параметров линий для получения заданного волнового сопротивления также полезны для практического применения.

В этой книге вы не увидите плагиата. Напротив, одна из целей написания данной книги – была и есть борьба с засильем переводной зарубежной технической литературы. Я не против многоуважаемых зарубежных авторов, благодаря которым наша электроника еще имеет способность развиваться. Я за развитие отечественной науки, и убежден, что движение вперед, новые открытия возможны, только при самостоятельной работе наших авторов. Ссылки не приведены, поскольку книга не претендует на научную ценность и не содержит прямых заимствований из других источников.

Все совпадения случайны, не преднамеренны, и могут быть объяснены сходством мышления при описании одинаковых физических явлений.

Вы не увидите здесь сложных матричных методов описания линий передачи и СВЧ устройств. Вы не найдете здесь, как построить СВЧ устройства на печатной плате. Я не открою здесь чужих секретов обеспечения помехоустойчивости и повышения электромагнитной совместимости. Я не научу Вас разводить печатную плату с высокоскоростными приемопередатчиками так, чтобы они гарантированно не мешали работе другой части схемы. Для этого есть много книг, написанных учеными и просто уважаемыми в своих областях людьми [1] – [6].

Надеюсь, что книга поможет Вам, начиная с самых простых, интуитивно понятных терминов, физических явлений, их взаимосвязей, открыть дверь в область радиотехники – сохранение целостности электрических сигналов в системах передачи данных.

Другими словами, вы научитесь проектировать линии передачи так, чтобы искажения сигналов в них были минимальны. Научившись малому, вы сможете осознанно и целенаправленно двигаться к высоким профессиональным вершинам!

Благодаря успешному практическому опыту (более 15 лет работы инженером-схемотехником), изучению литературы по теме сохранения целостности сигналов, мне удалось выработать ряд простых для понимания и повторения практических решений, которые хочу предложить Вашему вниманию.

Я понял, что без знания основ схемотехники, радиотехники, электроники инженеры-конструкторы печатных плат часто не осознают важности тех или иных правил разводки, не могут правильно расставить приоритеты и делают досадные ошибки, приводящие к необходимости повторной разводки плат. Именно для них предназначена вводная часть этой книги.

Согласитесь, без понимания терминов стек, волновое сопротивление, опорный слой, дребезг земли, целостность сигналов и т. п. – сложно понять, о чем идет речь в той или иной главе, когда пытаетесь самостоятельно освоить P-CAD, Altium или другой пакет проектирования по очень хорошим книгам замечательных авторов.

Главной задачей, которую решает разработчик линии передачи данных, является задача сохранить сигнал на входе приемника в целостности. Это значит, что форма напряжения не должна исказиться в приемнике, после прохождения линии передачи, какой бы длинной и сложной она ни была.

На рисунках 1—5 (жирная линия – сигнал на выходе передатчика, тонкая линия – сигнал на входе приемника) показано, к каким искажениям приводит использование односторонней и двусторонней печатных плат, когда линии выполнены не как линии передачи, а как обычные проводники без опорного слоя (который в односторонней плате и не может быть реализован).

В результате волновое сопротивление линии передачи в односторонней плате толщиной 1,5 мм для проводника шириной 0,2 мм может иметь значение от 300 до 500 Ом (вместо необходимых 50 Ом). В двусторонней печатной плате с теми же размерами, с толщиной слоев металлизации по 50 мкм, волновое сопротивление может изменятся уже в пределах 200—300 Ом, что также сильно отличается от требуемых 50 Ом.

Прочитав эту книгу, вы увидите, что нельзя пренебрегать правилами сохранения целостности сигналов не только в схемах и платах с высокоскоростными сигналами, но также и при наличии относительно низкочастотных импульсов с высокой скоростью нарастания/спада.

Основные понятия

Характеристики прямоугольных импульсов

Думаю, инженерам-схемотехникам и радиолюбителям не нужно объяснять, что такое форма импульса, какого рода бывают искажения, чем они могут быть вызваны, что такое емкость, индуктивность, импеданс, резонанс. Но книга может быть интересна и полезна конструкторам, разводчикам печатных плат, не имеющим достаточного представления о данных терминах. Кратко опишу каждый из них, поскольку решение задачи зависит от полного ее понимания. Вспомним основные характеристики прямоугольного импульса напряжения.

Рис. 6 Характеристики прямоугольного импульса

Идеальный прямоугольный импульс имеет следующие основные параметры: амплитуда, длительность.

Скорость нарастания и скорость спада стремятся к бесконечности. Площадка импульса идеально ровная. горизонтальная.

Форма реального импульса, показанного на рисунке 6, отличается от прямоугольного. Скорость нарастания фронта t

, скорость спада t

имеют некоторые реальные значения. Площадка импульса имеет спад, может содержать выброс, составляющую колебательного процесса. Фронт и спад могут быть нелинейными.

Импульс прямоугольной (трапецеидальной) формы при помощи ряда Фурье может быть представлен геометрической суммой (рядом) синусоидальных сигналов с разными коэффициентами, которые называют гармониками основного сигнала. Говоря проще, прямоугольный импульс или любой импульс сложной формы можно представить суммой гармоник или спектром гармоник. Частота каждой гармоники отличается от частоты основной гармоники в кратное число раз.

На рисунке 7 показан ряд гармоник спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов.

Энергия распределена только по нечетным гармоникам.

Для других сигналов спектр будет иметь другой вид. Важно понять, что спектр, в данном случае, бесконечен, но основной вклад в форму сигнала вносят первые несколько гармоник.

Одна гармоника – это синусоидальный сигнал. Три гармоники – сигнал треугольной формы. Пять гармоник – сигнал по форме похожий на прямоугольный, как показано на рисунке 8. Именно поэтому ширина полосы частот линии передачи также должна быть минимум в пять раз шире частоты периодической последовательности импульсов.

Для одиночного импульса ширина полосы частот f определяется временем нарастания фронта t

f = 0,35/t

Чем больше гармоник будет использовано при сложении, тем более точно можно будет воспроизвести форму исходного сигнала.

Ширина полосы частот линии передачи

В таблице 1 показаны примерные значения времени нарастания импульса и ширина полосы частот для наиболее распространенных стандартов.

Искажения формы импульса

На рисунке 9 показаны возможные искажения формы импульса.

В форме прямоугольного импульса напряжения, прошедшего через линию передачи, не должно быть искажений на фронте и спаде (фронт и спад должны быть монотонными или линейными), не должно быть резких выбросов в вершине и нижней части импульса. Амплитуда и длительность должны соответствовать значениям, заданным в стандарте для приемника сигнала. Площадка или вершина импульса должна быть ровной.

Для дифференциальных стыков, поскольку приемник срабатывает на разницу напряжений, определяемую порогами срабатывания, требования к форме импульса несколько упрощаются. Важны только монотонность фронта и спада импульса и меньшее значение имеют искажения на площадке.

Ниже представлены искажения формы по причине неравномерности АЧХ линии передачи.

Завал или затягивание фронта могут говорить об ограничении спектра импульса вследствие чрезмерной емкостной нагрузки.

Спад вершины может свидетельствовать о «завале» в области нижних частот амплитудно-частотной характеристики линии передачи.
1 2 3 >>
Новинки
Свернуть
Популярные книги
Свернуть