High-speed signály na DPS – část 2

Předchozí článek nastínil co je impedance spoje, proč hraje roli u high-speed signálů a proč je radno držet jí po celé délce spoje konstantní. Teď se podíváme, co to všechno znamená pro měděné cesty na cuprextitových destičkách.

Přenosové cesty s řízenou impedancí

Mimo svět DPS je klasickým zástupcem takové přenosové cesty koaxiální kabel – je tvořen dvěma vodiči na společné ose (kdy jeden je “vnořen” do druhého – dutého) a prostor mezi vodiči je vyplněn dielektrikem. Jelikož je po celé délce kabelu stejná vzdálenost vodičů, průměr vodičů a materiály vodičů i dielektika, kabel má konstantní charakteristickou impedaci. Nebude tedy po své délce způsobovat odrazy přenášeného signálu. Magnetické pole vytvořené okolo signálového vodiče (střed kabelu) je vyrušeno opačným magnetickým polem vytvořeným okolo referenčního vodiče (oplet kabelu). Spoj tedy nebude zbytečně vyzařovat EM záření. Nádhera. Teď jen takové vedení vytvořit na plošném spoji.

Je jasné, že na DPS úplně dokonalý koax nevyleptáme, ale můžeme se k němu alespoň přiblížit. Je potřeba minimálně dvouvrstvá DPS. Měď na jedné vrstvě pak může předsavovat referenční vodič (obvykle zem) a druhá vrstva může nést signálový vodič. Cuprextit nám bude představovat dielektrikum mezi oběma vodiči. Teď už stačí jen vypočítat správnou šířku signálové cesty, tak aby měla žádanou charakteristickou impedanci. Takovému nejjednoduššímu impedančně řízenému spoji říkáme microstrip. K výpočtu jeho charakteristické impedance (resp. k výpočtu šířky signálové cesty – kýženou impedanci spoje jsme si přečetli někde v datasheetu toho co spojujeme dohromady) lze použít řadu online kalkulaček (google: “microstrip calculator”), výrazně mocnějším nástrojem je ovšem Saturn PCB Design Toolkit. Nástroj je zdarma a kromě impedancí všemožných spojů umí i mnoho dalších užitečných výpočtů.

Microstrip line
Microstrip s přizpůsobovacím obvodem

Microstrip není samozřejmě úplně ideálním vysokorychlostním spojem. Problém spočívá mj. v tom, že elektromagnetická vlna, která putuje podél vodiče, neputuje homogenním prostředím. Vodič (signálová cesta) je totiž obklopen z jedné strany Cuprextitem (materiálem DPS na které spoj leží) a ze zbývajících stran vzduchem. Každé prostředí má jinou relativní permitivitu – dilekrickou konstantu. Díky tomu vedení získává mnoho nectností. Kromě microstripu tak vzniklo mnoho dalších způsobů jak vést vysokorychlostní signály na DPS. Princip zůstává stejný, jen se liší uspořádání referenční desky, signálového vodiče a dielektrika. Některá řešení si stále vystačí se dvěma vrstvami – Microstrip, Coplanar waveguide, některá vyžadují vícevrstvá DPS a signál pak putuje uvnitř desky (konečně obklopen homogenním dielektrikem) – Embeded Microstrip, Stripline.

Vícevrstvá (ideálně čtyřvrstvá) DPS samozřejmě obecně zajišťuje lepší podmínky pro rozvod rychlých signálů. Někdy důvod k využití více vrstev může i celkem prozaický – pokud má člověk routovat na 1,5mm dvouvrstvé FR4 DPS microstrip s impedancí 50Ohm, vyjde mu šířka signálové cesty šílené 3mm. Ztenčení celé DPS by umožnilo cestu zůžit, ale to nemusí být vždy přijatelné řešení (př. kvůli mech. pevnosti). Zatímco vícevrstvá DPS může mít tloušťku vrstvy klidně 0,127mm – není tedy problém na horní vrstvu vykreslit velmi decetní mictrostrip a zemnící vrstvu umístit o oněch pouhých 0,127mm níže.

Geometrii microstripu či jiného druhu signálové cesty není samozřejmě radno narušovat. Jako vždy je potřeba zachovat stejnou impedance po celé délce vedení – tzn. především neměnit efektivní šířku trasy. Jelikož i ostré úhly na trase znamení v daném místě zvětšení efektivní šířky trasy, je zvykem cestu na DPS zaoblovat (nebo alespoň zkosit trasu v místě, kde se stáčí). Také by neměla být přerušená zemnící deska pod signálovou trasou.

Spoje se shodnou délkou

Dalším následkem přenosu vysokorychlostních signálů je zpoždění signálu ve vedení. Ne, že by se vysokorychlostních signál šířil vodičem pomaleji než pomalý signál (to zní dost paradoxně), jde o to že u rychlých signálů je zpoždění už poměrně cítit. Za dobu, kterou se signál prodírá vodičem se totiž mohla stihnout logická úroveň signálu na zdroji několikrát změnit. Pokud vedeme po DPS jeden takový signál (bez závislostí na jiných rychlých signálech), zpoždění nás tolik netrápí. Pokud ovšem rozvádíme nějakou vysokorychlostní paralelní sběrnici, problém zpoždění signálu začíná být velmi citelný. Nikdo nechce, aby každý bit ze sběrnice dorazil v jinou dobu. V takových případech se proto používají spoje se shodnou délnou (Matched length routing), které mají za cíl zajistit každému vodiči sběrnice stejnou délku. Přizpůsobování délky pak vede ke vzniku tzv. meandrů, tedy útvarů na signálové cestě, které mají za úkol jí prodloužit (pokud je kratší než ostatní). Typickým příkladem takové vysokorychlostní paralelní sběrnice je např. připojení DDR3 RAM čipu k CPU (SoC).

Matched length routing
Matched length routing (OMAP SoC + RAM čip)

Pro tvorbu meandrů samozřejmě existuje řada pravidel – opět především sledujících nenarušení impedance cesty. Pravidla jsou snadno vygooglitelná, nebudu je zde tedy podrobně rozvádět.

Diferenciální signalizace

Jak postupuje miniaturizace, snižování napětí a zvyšování rychlosti sběrnic, již ani pouhé stínění a dodžení impedance nestačí k zachování intergrity přenášeného vysokorychlostního signálu. Další velmi využívanou metodou jak udržet rychlý signál pohromadě je diferenciální signalizace. Zde je signál přenášet pomocí dvojice (páru) vodičů, přičemž oběma vodiči putuje stejný signál, ale s opačnou polaritou. Přijímač pak vyhodnotí přenášenou informaci z rozdílu obou signálů. Myšlenka je taková, že jakýkoliv šum, který se naindukuje na jednom vodiči se musí naindukovat i na druhém a tedy jejich rozdíl zůstává (nehledě na rušení) nezměněný. Vedení má podobu dvou souběžných signálových cest, pod nimiž se nachází referenční deska (zem).

Differential pair routing
Diferenciální signalizace (Raspberry Pi CM I/O Board)

Opět jde o vedení s kontrolovanou impedancí. Jelikož je impedance ovlivněna oběma signálovými vodiči, již se jí neříká charakteristická impedance (Zo), ale diferenciální impedance (Zdiff). Opět se snažíme impedanci udržet po trase konstantní (nově je třeba sledovat také vzdálenost obou signálových cest). Navíc se také snažíme, aby obě signálové cesty byly stejně dlouhé (aby oba komplementární signály dorazily současně). K adaptování délky spoje se opět používají meandry. V každém okamžiku v každém úseku trasy putují oběma vodiči proudy vzájemně opačného směru. To je pro přenos výhodné, protože se vzájemně vyruší indukované traversální elektromagnetické vlny okolo každého vodiče. Proto je třeba s meadry zacházet rozumně a kompenzovat délku spojů průběžně, tak aby oba signály putovaly souběžně ideálně po celé délce vedení. Pokud vedení prochází více vrstvami DPS, tak se délky kompenzují vždy na každé vrstvě.

K výpočtu diferenciální impedance poslouží opět Saturn PCB Design Toolkit

Saturn_diff_pair
Saturn PCB toolkit – výpočet impedance diferenciálního páru

Diferenciálním spojem obvykle nevede nějaký obecný signál. Většinou jde o standardizovanou fyzickou vrstvu nějaké konrétní sběrnice. Např LVDS (Low-voltage differential signaling) či TMDS (Transition-minimized differential signaling). Diferenciální signalizaci využívají prakticky všechny moderní vysokorychlostní sběrnice – USB, HDMI, MIPI CSI, DSI, Thunderbolt, SATA, Ethernet (po kabelu), atd…

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*