Разработка высокоскоростных печатных плат глазами инженера-схемотехника. Сохранение целостности электрических сигналов. А. В. Трундов

их схем ошибка часто бывает связана с недооценкой задачи сохранения целостности сигналов. За рубежом ее решением начали заниматься еще в 70—80 гг. прошлого века. Успехи в этой области позволили перейти от громоздких параллельных шин к современным 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. Только 1 марта 2015 г был введен в действие 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 нем внимание разработчиков впервые обращено к серьезным требованиям, предъявляемым современной электронной промышленностью к разработке печатных плат. Межгосударственный стандарт появился только через 15 лет после выхода международного стандарта практически без изменений.

      О чем эта книга

      Данная книга является переработанным и дополненным изданием ранее опубликованной книги «Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов». В процессе общения с читателями в рамках различных форумов при обсуждении первой книги было принято решение написать и опубликовать новую статью с целью популяризации направления сохранения целостности сигналов среди радиолюбителей и профессионалов. Статья получила высокий рейтинг, массу положительных отзывов, была скопирована блогерами и до сих пор существует в открытой сети под названием «Разработка высокоскоростных печатных плат глазами инженера- схемотехника». Также был получен ряд замечаний и предложений, отреагировать на которые я попытался в данном издании.

      Вы не увидите здесь сложной теории, формул, матричных методов описания линий передачи и СВЧ устройств. Я не открою здесь новых секретов обеспечения помехоустойчивости и повышения электромагнитной совместимости. Для этого есть много книг, написанных другими авторами [1 – 6].

      Благодаря успешному практическому опыту работы инженером-схемотехником, изучению литературы по теме сохранения целостности сигналов, мне удалось собрать в одном издании ряд простых для понимания и повторения практических рекомендаций, которые хочу предложить Вашему вниманию.

      В процессе работы на одном из предприятий электронной промышленности я понял, что инженерам конструкторам печатных плат часто не хватает знания основ схемотехники, радиотехники, электроники. Это мешает правильной расстановке приоритетов при принятии конструкторских решений. Именно для конструкторов печатных плат предназначена первая вводная часть этой книги. Информация о конструкции печатных плат, способах организации стека будет полезна, в свою очередь, инженерам-схемотехникам.

      Главной задачей, которую решает разработчик линии передачи данных, является сохранение целостности сигнала на входе приемника после прохождения среды передачи, где могут быть искажены его частотные, амплитудные или временные характеристики.

      Это значит, что форма напряжения не должна исказиться в приемнике после прохождения линии передачи, какой бы длинной и сложной она ни была.

      На рисунках ниже показано (жирная линия – сигнал на выходе передатчика, тонкая линия – сигнал на входе приемника) к каким искажениям формы импульса может привести использование односторонней и двусторонней печатных плат, в которых волновые сопротивления проводников сильно отличаются от требуемого значения 50 Ом, которое принято на стороне нагрузки. В результате того, что волновое сопротивление проводника шириной 0,2 мм в односторонней плате толщиной 1,5 мм со слоями металлизации 50 мкм может иметь значение от 300 до 500 Ом (вместо необходимых 50 Ом), появляется значительное рассогласование. Это приводит к отражению электромагнитной волны от появившейся неоднородности, что становится причиной искажения сигнала, появления резонансов, потери энергии сигнала на излучение, перекрестных помех и негативного взаимного влияния на сигналы других линий передачи. В двусторонней печатной плате с аналогичными размерами волновое сопротивление может изменяться в пределах 200—300 Ом, что также сильно отличается от требуемых 50 Ом. Данный пример напомнит многим радиолюбителям «девяностых» стандартные односторонние и двусторонние печатные платы, в которых при разводке мало кто задумывался о таких понятиях, как волновое сопротивление, стек, однородность линии передачи.

      Рис. 1 Фронт импульса в проводнике односторонней печатной платы (волновое сопротивление 300—500 Ом)

      Рис. 2 Фронт импульса в проводнике двусторонней печатной платы. Волновое сопротивление равно 200—300 Ом)

      Рис. 3 Фронт импульса после согласования линии передачи с источником сигнала (волновое сопротивление близко к 50 Ом)

      В следующей главе представлен порядок действий по разработке и анализу конструкции печатной платы, который показывает