5 советов для лучшего кайфа

Керри Чайка | 25 мая 2023 г.

Проектирование высокоскоростных схем — одна из наиболее фундаментальных, но сложных областей проектирования электроники. Сегодня широко используются высокоскоростные схемы, поскольку такие стандарты, как USB, HDMI и PCIe, требуют от большинства профессиональных инженеров-электриков погружения в мир высоких скоростей. Заглядывая в будущее, мы видим общую тенденцию увеличения тактовых частот по всем направлениям, а это означает, что высокоскоростные сигналы станут еще более распространенными. Если вы сегодня разработчик электроники, вам просто не избежать высокой скорости.

Высокоскоростные сигналы создают дополнительную сложность и уникальные технические проблемы, которые делают разработку оборудования менее простой. Одним из таких технических соображений является согласование импедансов — уникальная и менее известная область проектирования схем. В этой статье я расскажу об основах согласования импедансов и поделюсь 5 советами, которые помогут гарантировать, что любая конструкция высокоскоростной схемы работает должным образом.

Чтобы понять, как проектировать высокоскоростные цепи, мы должны сначала изучить теорию линий передачи.

Все проводники в электрической цепи имеют характеристический импеданс, учитывая совокупный вклад паразитной емкости, индуктивности и сопротивления. В большинстве низкоскоростных систем влияние этих паразитных составляющих незначительно, поскольку влияние индуктивности и емкости увеличивается с частотой. Однако как только частоты начинают становиться достаточно высокими, этими паразитами уже можно пренебречь, и в игру вступают эффекты линии передачи.

В частности, это происходит, когда длина волны сигнала становится сравнимой с физической длиной проводника. В качестве альтернативы, когда длина межсоединения в дюймах более чем в два раза превышает время нарастания сигнала в наносекундах, будут иметь значение эффекты линии передачи.

Схема, подверженная воздействию линии передачи, характеризуется характеристическим сопротивлением, обычно обозначаемым Z0, которое представляет собой математическую абстракцию поведения линии передачи, определяемую ее геометрией. В высокоскоростных цепях характеристическое сопротивление имеет значение, поскольку если существует несоответствие между импедансом нагрузки (или источника) и характеристическим сопротивлением линии, в цепи будут возникать отражения сигнала. Другими словами, если сопротивление нагрузки (или источника) не совсем равно характеристическому сопротивлению линии, то некоторая часть энергии сигнала будет отражаться обратно по линии. Доля отражения сигнала определяется уравнением (Zl-Z0/Zl+Z0).

Отражения чрезвычайно вредны для работы схемы, поскольку приводят к искажению сигнала и появлению стоячих волн вдоль линии передачи. Когда сигнал искажается, его целостность нарушается, качество сигнала ухудшается, а данные на шине могут быть повреждены. Если не уделять пристального внимания эффектам линии передачи, высокоскоростные цепи могут полностью выйти из строя.

Чтобы смягчить последствия отражения сигнала в высокоскоростных цепях, мы должны контролировать импедансы, с которыми сигнал будет встречаться на протяжении всей нашей конструкции.

Согласование импеданса или управление импедансом — это метод проектирования печатных плат (PCB), при котором вы выборочно проектируете дорожки печатной платы таким образом, чтобы отражения сигнала были сведены к минимуму.

В большинстве случаев целевой импеданс вашего сигнала будет определяться протоколом и частями, реализующими этот протокол. Например, для USB обычно требуется целевое дифференциальное сопротивление 90 Ом, тогда как во многих стандартных несимметричных протоколах в качестве целевого значения указывается 50 Ом.

Проектировщик может контролировать импеданс своих дорожек, разумно выбирая геометрию дорожек и сопоставляя эти размеры со свойствами материала подложки. Основными геометрическими переменными здесь являются ширина, толщина и расстояние до заземляющих дорожек, все из которых напрямую влияют на импеданс сигнала. Другие переменные, зависящие от материала, включают свойства подложки, такие как диэлектрическая проницаемость. На практике эти значения будут определяться с помощью калькулятора печатных плат, который часто является внешним по отношению к инструменту проектирования печатных плат.