Несоответствие времен прохождения сигнала в многослойных печатных платах

There is still time to download: 30 sec.



Thank you for downloading from us :)

If anything:

  • Share this document:
  • Document found in the public.
  • Downloading this document for you is completely free.
  • If your rights are violated, please contact us.

30
Несоответствие времеН
прохожде Ния сигНала
в мН огослой Ных печат Ных платах
Сергей Кра Снов, разработчик
В этой статье рассматриваются причины разного времени прохождения
сигнала по микрополосковым и полосковым линиям многослойных печат -
ных плат, и  даются рекомендации, позволяющие учесть это обстоя -
тельство при проектировании.
Энергия в виде электромагнитных волн передается через
диэлектрические материалы подложки многослойной печат -
ной платы. Неверно считать, что сигнал проходит по линии
передачи – она лишь направляет электромагнитную энер -
гию из одной точки в другую. с игналы распространяются
с одинаковой скоростью в одинаковых средах. п оскольку
микрополосковые проводники (во внешнем слое) окружены
диэлектрическим материалом, паяльной маской и воздушной
средой, эффективная диэлектрическая проницаемость среды
меньше, а скорость распространения сигнала больше по срав -
нению с полосковыми проводниками (во внутренних слоях). глядя на то, как волны плещутся у берега, создается впечат -
ление, что они движутся по направлению к нам, но на самом
деле это не так. т раектория движения частиц воды – петлео -
бразная: на интенсивное вращение «водяного колеса» накла -
дывается слабое поступательное движение в сторону ветра.
с хожее волнообразное движение наблюдается на трибунах
болельщиков, которые поочередно поднимаются со своих мест
и усаживаются обратно. всего лишь за минуту образованная
волна обходит весь стадион, но сами болельщики вместе с ней
не перемещаются. в этом случае средой распространения волны являются
люди. если окружность стадиона принять равной 1 км, выхо -
дит, что волна распространяется со скоростью около 60 км/ч.
Как правило, болельщики, находящиеся на местах VIP-трибун,
не участвуют в создании волны, но создается ощущение того,
что она проходит через невидимый барьер и снова появля -
ется на трибунах для простых смертных. с хожим образом
ведет себя и электромагнитная энергия, распространяюща -
яся между проводниками и компонентами печатной платы. аналогично, быстродействие компьютера зависит
не от скорости перемещения электронов, а от скорости пере -
дачи энергии между электронными компонентами. Факти -
ческая скорость электронов, проходящих по проводникам,
очень мала (около 10 мм/с), однако сигнал распространяется
со скоростью электромагнитной волны. Эта скорость зависит
от параметров слоя в многослойной подложке и соседствую -
щих с ним диэлектрических материалов. полосковая линия представляет собой проводник между
двумя опорными плоскостями (см. рис. 1). поскольку линии
электрического поля в наибольшей мере сосредоточены
между двумя сплошными плоскостями, скорость распро -
странения сигналов по проводнику полностью определяется
диэлектрической проницаемостью окружающих материалов. п
роводники микрополосковой линии, проходящие по внеш -
ним слоям печатной платы, окружены диэлектриком, зазем -
ляющей плоскостью и  воздушной средой. в строенный
проводник имеет также конформное покрытие из паяльной
маски или другого диэлектрического материала. в этом случае
эффективную диэлектрическую проницаемость, определяе -
мую комбинацией окружающих материалов, следует рассчи -
тывать с помощью с помощью анализатора полей. Электрические поля вокруг микрополосковой линии
частично проникают в  диэлектрики и  воздушную среду.
п оскольку диэлектрическая проницаемость воздуха равна
единице и  всегда меньше, чем у  стеклотекстолита (4,3),
понятно, что воздушная составляющая позволяет увеличить
скорость распространения сигнала. д аже если ширина про-
водников на каждом слое рассчитана таким образом, чтобы
их импедансы были одинаковыми, скорость распространения
сигнала по микрополосковой линии всегда выше примерно
на 13–17%, чем по полосковым проводникам. с корость рас-
пространения цифровых сигналов не зависит от размеров,
формы проводников и импеданса.
Рис. 1. Результат симуляции в HyperLynx электромагнитных полей вокруг
микрополосковой и полосковой линий
WWW.ELCOMDESIGN.RU
Несеоетви срмпНхжд сопН

31
Задержку распространения сигналов в проводниках
(см. рис. 2) можно компенсировать за счет трассиров -
ки с  учетом рассогласования времени передачи при
номинальной температуре. п ри этом все сигналы, про-
ходящие по микрополосковой или полосковой линии,
будут одновременно достигать приемника. о днако такая
компенсация не решает проблему разной скорости про -
хождения сигналов по микрополосковой и полосковой
линиям из-за температуры. На рисунке 3 показано, как
влияет температура на  диэлектрическую проницае -
мость Dk и ди электрические потери проницаемости Df
в случае использования высокоскоростного ламината
RO4003 компании Rogers. ч ерная кривая представляет
собой результаты измерений, а красная – результаты рас -
чета в диапазоне –40…9 0°C.
м атериалы компании Rogers специально созданы для
высокоскоростных приложений. о днако в рассматрива-
емом температурном диапазоне диэлектрическая про -
ницаемость других материалов может меняться на 10%
в зависимости от их термоустойчивости. п оскольку ско-
рость распространения пропорциональна квадратному
корню из диэлектрической проницаемости, эта скорость
меняется примерно на 5% в том же диапазоне темпера -
туры. д иэлектрические потери тоже растут по мере уве -
личения температуры. характеристики микрополосковых линий, у которых
окружающая среда состоит из воздуха и диэлектрика (пре -
прега и паяльной маски), иные, чем у полосковых. и змене-
ние температуры влияет на часть поля в стеклотекстолите,
но не в воздухе, поскольку его диэлектрическая проницае -
мость не меняется с температурой. в результате коэффици -
ент теплового расширения микрополосковых линий не так
велик, как у полосковых. д аже если в точности согласовать
задержку между микрополосковой и полосковой линиями, время прохождения сигналов по ним окажется разным
независимо от температуры окружающей среды за счет
разных условий охлаждения линий.
разница достигает
±20 пс, что съедает большую часть временного бюдже -
та, выделенного для печатной платы высокоскоростной
системы. чтобы устранить эту проблему, следует использовать
либо только микрополосковые, либо полосковые линии.
п оскольку микрополосковые проводники являются источ -
никами электромагнитных помех и пространство печатной
платы на внешних слоях ограничено из-за установленных
компонентов, разводку критически важных сигналов реко -
мендуется осуществлять только во внутренних полосковых
слоях. Необходимо избегать смешения микрополосковых
и полосковых проводников, за исключением, пожалуй, толь -
ко тех случаев, когда разветвляющиеся проводники между
контактными площадками ис и переходными отверстиями
коротки.
Литерат ура
1. Barry Olney’s Beyond Design columns: New Functionality Improves
Designer’s Productivity, Faster than a Speeding Bullet. 2. Waves as Energy Transfer, Science Learning Hub.
3. IEEE 80 2.3ap Backplane Ethernet, Joel Goergen, Manny Hernandez.
4. High-Speed Signal Propagation, Howard Johnson.
На заметку
• Не совсем верно считать, что сигнал проходит по  линии передачи  – по  ней распро-
страняется электромагнитное поле.
• В одинаковых средах сигналы распространяются с одинаковой скоростью.
• Цифровые сигналы распространяются как поперечные колебания, подобно движе-
нию частиц в направлении, которое перпендикулярно перемещению волны.
• Быстродействие компьютера зависит не  от  скорости перемещения электронов,
а от скорости передачи энергии между электронными компонентами.
• Скорость электромагнитной волны зависит от параметров слоя в многослойной под-
ложке и соседствующих с ним диэлектрических материалов.
• Полосковая линия представляет собой проводник между двумя опорными плоско-
стями.
• Проводник микрополосковой линии окружен диэлектриком, заземляющей пло-
скостью и  воздушной средой, а  встроенный проводник еще покрыт конформным
покрытием – паяльной маской или другим диэлектрическим материалом.
• Даже если ширина проводников на каждом слое рассчитана таким образом, чтобы
их импедансы были равны, скорость распространения сигнала по микрополосковой
линии всегда выше на 13–17% скорости сигналов в полосковых проводниках.
• Скорость распространения цифровых сигналов не зависит от размеров, формы про-
водников и импеданса.
• Задержку распространения сигналов в  проводниках можно рассчитать так, чтобы
сигналы, проходящие по  микрополосковой или полосковой линии, одновременно
достигали приемника.
• Диэлектрическая проницаемость материалов может меняться на  10% в  зависимо-
сти от их термоустойчивости.
• Коэффициент теплового расширения микрополоскового проводника не  так велик,
как у полосковых, поскольку он частично окружен воздушной средой, диэлектриче-
ская проницаемость которой не зависит от температуры.
• Даже если в точности согласовать задержку между микрополосковой и полосковой
линиями, время прохождения сигналов по этим линиям разное независимо от тем-
пературы.
• Диэлектрические проницаемости материалов для полосковой линии должны быть
одинаковыми, чтобы совпадали времена прохождения сигналов.
• Разводку критически важных сигналов рекомендуется осуществлять только во вну -
тренних полосковых слоях. Рис. 2. Сравнение результатов расчета времени распространения сигналов
по микрополосковой и полосковой линиям, полученных с помощью
анализатора iCD Design Integrity
Рис. 3. а) зависимость диэлектрической проницаемости Dk от температуры;
б) зависимость диэлектрических потерь Df от температуры
а)
б)
  
Несотвиррмс оипхирсртм ж1 2018

Report abuse

All documents on the website are taken from public sources and posted by users. We offer our deepest apologies if your document has been published without your consent.