O tématu návrhu high speed plošných spojů je na internetu poměrně málo použitelných informací. Protože v dnešním vysokorychlostním světě se člověk s takovými spoji setkává čím dál častěji, rozhodl jsme se napsat dva články (nebo spíš blog posty) právě na toho téma.
Každý kdo někdy navrhoval plošný spoj ví, že správný design vyžaduje dodržení řady pravidel. Dokud naše deska pracuje jen s nízkofrekvenčními signály, je situace poměrně jednoduchá. Layout zapojení vám v takovém případě odpustí ledacos – koneckonců vždyť i ten špagetový salát na nepájivém poli obstojně fungoval, ne? Jakmile se ovšem signálové sběrnice v zapojení začínají pohybovat v řádech stovek MHz či dokonce jednotek GHz, již je velmi radno dodržovat při jejich návrhu jistá pravidla – především dodržet impedanci spojů. Jak je to tedy s navrhováním vysokorychlostích spojů např. pro USB, HDMI, Ethernet či RAM paměti? Ve dvoudílném článku se pokusím vysvětlit některé principy a ukázat jak postupovat při návrhu spoje. Vše bez hromady matematických vzorců a s minimem složitých termínů.
Vysoká rychlost – v čem je problém?
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:
Signál se ve volném prostředí šíří zhruba rychlostí světla. Rychlost přenosu plošném spoji FR4 je ovšem zhruba poloviční. Překonání 15cm vedení tedy trvá signálu přibližně 1ns. Za onu 1ns se nám stihnul změnit vstupní digitální signál z 0 na 1 a zpět. Ve vodiči vzniká napěťový gradient, v různých částech vodiče můžeme v jeden okamžit naměřit různá napětí. Goodbye Kirchhoffovy zákony, vítejte ve světě, kde se elektrická energie šíří ve vlnách.
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.
Klíčová je impedance
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 rezistoru 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.
V další části o spojích s řízenou impedancí a diferenciální spojích na DPS prakticky. Část 2.
No pořád tam je spousta složitých termínů… 🙂