High-speed signals on PCB – part 1

It seems that there is not to much useful information about designing of high-speed PCBs on the Internet. Because in current high-speed world, these types of circuits can be meet more and more frequently, I’ve decided to write two articles (or rather two blog posts) just on this topic.

Anyone who has ever designed a PCB knows that good design requires to be in compliance with a number of various rules. As long as your board is dealing with the low frequency signals only, the situation is quite simple. Board layout in this case will forgive you many things – even the spaghetti Salad on solderless breadboard work fairly well, after all. But once the signal routes become carrying signals in hundreds of MHz or even few GHz, it is already very advisable to follow some design rules – mainly preserve impedance of signal routes. How to design high-speed routes for eg. USB, HDMI, Ethernet, or RAM chip? In the following two-part article I will try to explain some of the principles and show how to proceed when designing a high-speed PCB traces. All without piles of mathematical formulas and with a minimum of technical terms.

High-speed signals – what’s the big deal?

Od vodiče (nebo vodivé cesty na DPS) obvykle chceme, aby co neefektivněji přenesl elektrickou energii z jednoho bodu do druhého. Nic víc. Při přenosu konstantního napětí je vše jednoduché – vodič nám klade trochu toho ohmického odporu a samozřejmě má nějakou kapacitu a indukčnost, která nás ovšem příliš nezajímá. Pokud napětí není v čase konstantní, chování vodiče se mírně komplikuje. Jakékoliv střídavé (nebo i pulsující) napětí procházející vodičem totiž způsobuje vyzařování elektromagnetického záření vodičem. Čím víc se délka vodiče blíží určitému zlomku vlnové délky přenášeného signálu (řekněme 1/4 vlnové délky, ale neplatí to univerzálně), tím víc vodič vyzařuje EM záření – stává se horším vodičem a lepší anténou. Z toho vyplývá, že problém nenastává výhradně jen s přenosem rychlých signálů. Stejný problém nastane i s přenosem pomalejších signálů, na velmi dlouhém vedení. Přenášíme-li ale signál v řádech GHz i spoj délky několika mm (tedy délek které nás zajímají v rámci DPS) již způsobuje příliš velké EM vyzařování a odrazy signálu a tedy působí problémy. V případě digitálních signálů se spíš než o frekvenci a vlnových délkách mluví o modulační rychlosti a trvání signálového prvku. Význam je ale analogický. Pokud je doba, kterou stráví signál ve vedení delší než je trvání signálového prvku opět můžeme tušit, že spoj na DPS bude vyžadovat nějakou zvláštní péči.

Pokud máme tedy na vstupu signál v řádu GHz a řekněme 15cm vedení. Signál se bude šířit následující způsobem:

The signal is propagating about the speed of light in the free space. Propagating speed on FR4 PCB trace, however, is about a half of that speed. Overcoming 15 cm trace therefore takes approximately 1ns. During that one ns the input signal could make a shift from the digital 0 to 1 and back. The voltage gradient is therefore formed in the conductor, a different voltages can be measured in different parts of the wire (trace) in the same time. Goodbye Kirchhoff’s laws, welcome in the world where electrical energy is propagating in waves.

Právě šíření ve vlnách působí většinu problémů. S tím jak se chování signálu blíží chování vlny (podobné té v kapalině), tak se také chování vodiče začíná blížit chování roury ve které ona kapalita putuje. A když uděláte rouru křivou, zubatou, nebo zaslepenou bude to šplouchat a často vám energie dokonce vyšploune z roury ven. Konkrétně tedy špatně navržená cesta: Emituje EM záření – způsobuje vzájemné rušení komunikačních kanálů a tedy zanáší tedy do komunikace šum a přeslechy, přijímá okolní EM záření, způsobuje odrazy přenášeného signálu -> mísení odraženého a aktuálního signálu, způsobuje stojaté vlnění (především u periodických signálů), zahřívání zdroje signálu a samozřejmě útlum přeneseného signálu.

Impedance is the key

Při přenosu vysokých překvencí si musíme připustit, že ona cestička na DPS již není jen obyčejný vodič. Cesta je také trochu cívkou a kondenzátorem. Kromě ohmického odporu má totiž nějakou kapacitu, indukčnost či svodovou vodivost izolace. To jesli je spoj (naše roura) dobře navržená, vlny v proudí spokojeně, netlumí se a putují pouze jedním směrem bude záviset právě na těchto parametrech. Také právě z těchto parametrů lze vypočítat onu klíčovou hodnotu, která charakterizuje naše vedení – charakteristickou impedanci. V případě DPS je tedy impedance cesty ovlivňována efektivní šířkou signálové cesty, vzdáleností signálové cesty od referenční desky (obvykle země) a materiálu dielektrika (tedy materiálu DPS). Impedanci je potřeba zachovat po celou trasu putování signálu konstantní, jinak budujeme rouru z vzájemně nekompatibilních dílů a opět to bude šplouchat – tedy “svítit” a rušit. Lze si také vybavit princip antény, kde obvykle signál putuje nějakým gradientem impedance. My ze všeho nejvíc nechceme mít z vedení anténu, takže impedanci držíme všude stejnou. Změny impedance v rámci vedení jsou horší, než souvislý úsek s nevhodnou impedancí – signál lze mezi vedením s různými impedancemi dokonce převádět (ale vždy kontrolovaně, pomocí transfomátoru).

Hodnota impedance je většinou nějakou konvencí stanovená pro daný druh přenosové cesty (75Ohm TV anténa, 50Ohm WiFi antena, 100Ohm LAN kabel, 90Ohm USB atd.). Za onou konkrétní hodnotou impedance pro konkrétní druh přenosu stojí obvykle experimentální ověření nízkých ztrát při dané hodnotě, často ovšem také historické důvody. Protože výstupní impedace zdroje signálu a vstupní impedance přijímače signálu (popř. konektory a další prvky vedení) jsou již oné konvenční impedanci přizpůsobeny, nemůžeme si impedanci vedení zvolit podle libosti. Vedením s řízenou impedancí může být jak spoj na DPS, tak např. koaxiální kabel či kroucená dvojlinka. V místě kde dojde ke změně impedance ve vedení (nemusí jít jen o spojení vedení, ale například jen rozšíření/zůžení signálové cesty na DPS) vznikají odrazy signálu, které putují zpět ke zdroji a cestou se mísí s novým potijdoucím signálem. Místo je zdrojem EM rušení.

Impedanci vedení je poměrně obtížné měřit. Samozřejmě jí nelze měřit obyčeným ohmetrem, protože ten pracuje se stejnosměrným napětím. Měřil by tedy pouze činnou složku impedance, pro vedení s volnými konci by tedy ukázal nekonečný odpor. Lze ovšem měřit efekt, který má přechod mezi prvky dvou různých impedancí – tedy odraz procházející vlny. Pokud charakteristickou impedanci referenčního prvku známe (např. zjištění impedance rezistcoru je velmi snadné, prostě Z = R), lze metodou odvodit i impedanci měřeného prku. Poměrně nepěkná metoda, vyžadující celkem drahé vybavení (reflektometr). Při návrhu DPS se obvykle nepoužívá.

About impedance-controlled routing and differential signaling in practice see the next part.