Несоответствие времен прохождения сигнала в многослойных печатных платах

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