Целостность сигналов. Что может пойти не так?

 

Юрий Клестов

 

В статье перечисляются некоторые основные причины нарушения целостности сигналов. Рассматриваются системы распределенного питания и сигнальные проводники.

 

Статья размещена в журнале «Электронные Компоненты» №11-2025.

 

Введение

Целостность сигнала в высокоскоростных печатных платах определяется сигнальными проводниками и шинами питания, а также топологией печатной платы. В настоящей статье мы кратко коснемся всех этих аспектов. Сразу оговоримся, статью не следует рассматривать как руководство по разработке топологии печатной платы. Цель публикации – помочь инженерам при наладке или поиске неисправности платы. Мы постарались перечислить некоторые возможные источники нарушения целостности сигналов, приводящие к их искажению и нарушениям работы плат с высокоскоростными сигналами, тем самым облегчив разработчикам поиск источников проблемы.

 

Возможные причины нарушения целостности сигналов

При анализе работы шины питания удобно использовать ее импеданс, который характеризует шину как во временной, так и в частотной области. В первом случае с его помощью можно оценить распространение электромагнитной энергии, а во втором – фильтрующие свойства импеданса и способность подавления шума. Чтобы минимизировать радиопомехи, необходимо поддерживать импеданс в допустимых пределах в заданной полосе частот.

Типовая эквивалентная схема системы распределенного питания показана на рис. 1.

Рис. 1. Типовая эквивалентная схема системы распределенного питания

 

Помимо импеданса проводников, переходных отверстий и межсоединений импеданс системы образуют байпасные конденсаторы, подключенные к выводам питания микросхем и установленные в непосредственной близости от них. Во временной области действие конденсаторов заключается в накоплении энергии и поддержании питания микросхем при быстрых переходных процессах, а в частотной области конденсаторы уменьшают импеданс шин питания.

В платах с высокоскоростными сигналами (далее мы будем рассматривать только такие платы) требования к распределенной системе питания заметно ужесточаются по сравнению с таковыми в низкоскоростных платах. Перечислим основные функции распределенной системы питания в высокоскоростных платах:

• обеспечение низкоомного тракта питания микросхем;
• уменьшения шума и дребезга, вызванного переходными процессами при сбросе и набросе нагрузки;
• минимизация скачков потенциалов между землей разных доменов;
• формирование контура обратного тока;
• уменьшение излучения радиопомех.

Главной проблемой и шин питания, и сигнальных проводников является индуктивность проводников, переходных отверстий, выводов корпусов компонентов. Чем меньше длительность фронтов импульсов, тем больше влияние индуктивности. Влияние паразитной индуктивности на целостность сигнала заметно больше, чем паразитной емкости.

Развязывающие конденсаторы являются необходимым элементом системы питания. К сожалению, и у них имеется паразитная индуктивность, которая искажает их частотную характеристику (рис. 2).

Рис. 2. Частотная характеристика конденсатора

 

На этом же рисунке приведены параметры эквивалентной последовательной схемы конденсатора. Из рисунка видно, что конденсатор следует выбирать так, чтобы его резонансная частота примерно совпадала с рабочей частотой цепи.

Кроме того, байпасные конденсаторы следует устанавливать в том же слое, что и микросхему, к которой они подключаются. Такой способ установки позволит обойтись без переходных отверстий, которые также имеют индуктивность, особенно в многослойной плате. И, разумеется, следует уменьшить площадь токовых контуров: чем она больше, тем выше индуктивность контура.

Шунтирующие конденсаторы большой емкости хорошо работают в диапазоне частот примерно не выше 10 МГц. На более высоких частотах их импеданс имеет индуктивный характер. Высококачественные керамические конденсаторы малой емкости способны расширить этот диапазон до нескольких сотен мегагерц. Поскольку в еще большей мере увеличить частотный диапазон вплоть до единиц гигагерц может только емкость между слоями питания, толщина диэлектрика между ними должна быть минимальной и не превышать несколько мил, а относительная диэлектрическая проницаемость этого слоя должна быть высокой. Примерные частотные характеристики элементов распределенного питания, начиная с модуля стабилизации напряжения (МСН) и заканчивая слоем питания, приведены на рис. 3.

Рис. 3. Примерные частотные характеристики элементов распределенного питания

 

Кроме последовательного резонанса, пример которого мы рассмотрели с помощью частотной характеристики конденсатора (рис. 2), в системе распределенного питания может возникнуть параллельный резонанс, когда импеданс шин питания резко возрастает. Все пики параллельного резонанса должны быть вынесены за полосу пропускания. Удалить пики параллельного резонанса можно с помощью переходных отверстий между одноименными слоями – эти отверстия препятствуют формированию стоячих волн и подавляют локальные резонансы.

Краевое электромагнитное поле между соседними слоями общей шины и земли на краях платы является еще одним источником излучения электромагнитных помех. Для его уменьшения достаточно сдвинуть друг относительно друга соседние слои на краю платы. С этой целью, например, слой питания не доводится до края платы на 5 мм. При использовании высокоскоростных и СВЧ-сигналов желательно использовать компланарные волноводы, которые позволяют уменьшить потери.

Еще раз обратим внимание на выбор диэлектрика между сигнальными слоями. Его диэлектрическая проницаемость и коэффициент потерь должны быть низкими. К диэлектрику между слоями земли и питания предъявляются противоположные требования – он должен обладать высокой диэлектрической проницаемостью и высоким коэффициентом потерь.

При разработке топологии всегда стремятся уменьшить длину сигнальных проводников и избежать разрыва импеданса. При этом, однако, не всегда уделяется достаточное внимание формированию контура обратного тока. Тем не менее этот аспект играет очень важную роль в обеспечении целостности сигналов. Неоднородные или высокоимпедансные контуры, разрывы на пути обратного тока, недостаточное количество переходных отверстий могут привести к искажению сигнала и возникновению перекрестных помех. Кроме того, из-за некорректно сформированного тракта обратного тока увеличивается площадь всего контура, и, следовательно, возрастает его индуктивность, что приводит к дополнительному дребезгу при переходных процессах.

Немало неприятностей могут доставить и свободные (незадействованные) концы переходных отверстий, которые искажают проходящий через них сигнал и уменьшают полосу пропускания. В отдельных случаях они вносят добавочный джиттер и уменьшают раскрытие глазковой диаграммы (рис. 4).

Рис. 4. Свободные концы переходных отверстий вносят добавочный джиттер и уменьшают раскрытие глазковой диаграммы. Глазковая диаграмма сигнала верхнего слоя платы (верхний рисунок) и нижнего слоя (нижний рисунок)

 

На верхней осциллограмме этого рисунка показана глазковая диаграмма сигнала, проходящего через сквозное отверстие в верхнем слое. Внизу представлена аналогичная осциллограмма сигнала нижнего слоя. Главным виновником искажения является индуктивность переходного отверстия, которая, в основном, зависит от его длины.

Для уменьшения паразитных эффектов в переходных отверстиях применяется обратное сверление, позволяющее удалить избыточную металлизацию. Однако более действенный и простой путь заключается в использовании всей длины переходного отверстия во избежание шлейфов. В этом случае оно не проходит сквозь платы с верхнего слоя на нижний, а соединяет только нужные слои. Имеются и другие, более сложные способы, но их описание выходит за рамки этой статьи.

На рис. 5 показан пример влияния паразитных параметров переходного отверстия, а на рис. 6 – эффект обратного сверления.

Рис. 5. Пример влияния паразитных параметров переходного отверстия

 

Рис. 6. Эффект обратного сверления переходного отверстия

 

 

Из рисунка видно, что удаление избыточной металлизации существенно уменьшает влияние паразитных параметров переходного отверстия.

Перекрестные помехи в высокоскоростных платах с плотным монтажом – неизбежное зло. От него невозможно избавиться, но его можно минимизировать. Самый действенный способ снижения подобного рода помех заключается в увеличении расстояния между проводником, являющимся источником помех, и проводником, который служит их приемником. К сожалению, при плотном монтаже такой способ борьбы практически малопригоден. Однако можно минимизировать площадь контура, образованного сигнальным проводником и обратным током. Необходимо как можно ближе «привязать» тракт обратного тока к сигнальному проводнику. Для этого следует устранить все препятствия на пути обратного тока, о чем мы уже упоминали. Особенно это требование важно в случае использования проводников с несимметричными сигналами.

Нельзя допускать, чтобы источник помех и их приемник располагались параллельно друг другу не только в одном слое, но и в разных слоях. Хорошим способом подавления помех заключается в использовании экранирующего заземленного проводника между источником и приемником помехи. Экранирующий проводник желательно соединить переходными отверстиями в нескольких точках с общей шиной. Уменьшить перекрестные помехи можно и с помощью схемотехнических методов. К наиболее действенными из них относятся уменьшение крутизны фронта импульсов, использование дифференциальных линий связи вместо несимметричных и разнесение этапов работы во временной области. Например, опрос канала АЦП можно сдвинуть на один–два такта от момента включения коммутации нагрузки.

Читать/скачать статью в пдф формате

Спецпредложение по рекламе в журнале «Электронные Компоненты» 2026

Типовое коммерческое предложение по рекламе в журнале «Электронные Компоненты» 2026

Размещение статей и рекламы: anton.denisov@ecomp.ru