Импеданс соединительных проводников


PDF версия

Едва ли можно отрицать, что наиболее критичным показателем высокоскоростных схем является импеданс соединительных проводников. Импеданс источника сигналов в линиях передачи данных согласуется с импедансом линий для оптимальной передачи энергии. В несогласованных линиях энергия преобразуется в тепло, поступает в соседние элементы, отражается или излучается. В статье рассматривается влияние импеданса на корректное функционирование системы.

Как известно, электрический импеданс представляет собой комплексное (полное) сопротивление переменному току между двумя узлами цепи. Импеданс определяется суммой сопротивлений резистора и реактивных элементов (катушки индуктивности и конденсатора). В сопротивления реактивных элементов, которые меняются в зависимости от частоты, также входят распределенная паразитная индуктивность и паразитная емкость линии передачи.

Импеданс является определяющим фактором при решении проблем, влияющих на целостность сигналов по следующим причинам.

  1. Проблемы с целостностью сигналов возникают из-за отражения сигналов напряжения и их искажений при изменении импеданса в линии передачи.
  2. Перекрестные помехи появляются в результате взаимодействия электрических и магнитных полей между соседними проводниками или связи между проводниками и возвратными трактами. Индуктивность и емкость между проводниками задают величину импеданса, которая определяет меру связи.
  3. Дифференциальный режим передачи сигнала может преобразоваться в синфазный из-за паразитной емкости или любого дисбаланса, вызванного изменением импеданса, фазового сдвига сигнала, несоответствия между временем нарастания/спада импульсов или асимметрией канала.

Синфазные токи – главный источник электромагнитного излучения. Импеданс наилучшим образом описывает не только проблемы, связанные с целостностью сигналов, но и решения, а также методологию проектирования, обеспечивающую требуемую целостность сигналов. Два ключевых процесса – моделирование и симуляция – базируются на преобразовании электрических характеристик в импеданс и анализе того, как он влияет на сигналы.

Известны три самые распространенные конфигурации линий передачи многослойной печатной платы: встроенная микрополосковая линия (линия, покрытая паяльной маской), асимметричная и сдвоенная симметричная полосковые линии. В случае встроенной микрополосковой линии электромагнитное поле распространяется частично по диэлектрику, паяльной маске и воздуху.

В обеих полосковых структурах электромагнитное поле распространяется по диэлектрику между двумя слоями. Импеданс линии передачи зависит от геометрических размеров и формы проводников, а также от диэлектрической проницаемости материала, который находится рядом с ними или разделяет их. У проводников печатной платы наиболее критичным размером является отношение ширины проводников к высоте над или под опорным слоем. Импеданс также обратно пропорционален квадратному корню из диэлектрической проницаемости. Понятно, что для точного контроля над величиной импеданса требуется точное измерение физических размеров и характеристик материала по всей длине соединительных проводников.

На рисунке 1 сравниваются характеристики импедансов в зависимости от трех самых важных переменных: ширины проводника, толщины диэлектрического слоя и диэлектрической проницаемости. Эти графики были построены с помощью анализатора полей в проектировщике iCD Stackup. Заметим, что величина импеданса микрополосковой линии изменяется почти в два раза больше, чем импеданс полосковой линии при тех же изменениях переменных.

Характеристики импедансов микрополосковой и полосковой линий (планировщик iCD Stackup)
Рис. 1. Характеристики импедансов микрополосковой и полосковой линий (планировщик iCD Stackup)

Отсюда можно сделать вывод, что микрополосковые линии передачи сравнительно больше зависят от изменений импеданса, что является еще одной веской причиной не размещать проводники с критически важными сигналами на внешних слоях. Любое незначительное изменение пяти переменных (включая толщину медного слоя и расстояние между проводниками дифференциальной линии) в значительной мере изменяет локальное значение импеданса микрополосковых сигнальных проводов. Чтобы импеданс оставался постоянным, производитель должен контролировать именно эти физические параметры многослойной печатной платы.

По мере совершенствования технологий разработчики все чаще составляют спецификации плат, задавая величину импеданса. Производители печатных плат стремятся обеспечить контроль над импедансом несмонтированных плат, учитывая все переменные факторы производственного процесса. Сначала применяется анализатор полей, чтобы получить характеристику импеданса проводников многослойной печатной платы. Затем они устанавливают пробные образцы на внешний край печатной платы, чтобы проверить, насколько импеданс изготовленного изделия соответствует результатам прогноза с помощью динамического рефлектометра (TDR).

Изменения импеданса вдоль линии передачи имеют намного большее значение для анализа, чем его абсолютное значение. Разработчики должны обеспечить плоский профиль характеристики импеданса, который свидетельствует об отсутствии разрывов при некорректной трассировке сигнальных проводников. Однако следует учитывать, что дифференциальный режим распространения сигналов может трансформироваться в синфазный из-за дисбаланса, вызванного вариациями импеданса.

Схематичное представление линии передачи сигнала адресации в модуле памяти DDR2 (симуляция в HyperLynx)
Рис. 2. Схематичное представление линии передачи сигнала адресации в модуле памяти DDR2 (симуляция в HyperLynx)

Печатные платы, изготовленные с учетом требуемого в спецификациях импеданса, не гарантируют полного соответствие импеданса всех проводников – обеспечивается только соответствие импеданса неиспользуемых тестовых фрагментов. Тестовые образцы не учитывают всех возможных проблем, которые могут появиться после трассировки тракта между источником сигнала и нагрузкой. Только разработчики имеют возможность проконтролировать импеданс соединительных сигнальных проводов. Из рисунка 2, на котором показана топология межсоединения в виде схематических моделей, видно, что результат трассировки не вполне соответствует исходному проводнику, т. к. любая из 15 отдельных линий передачи, которые образуют соединение, может вызвать проблемы при некорректной разводке. Для реализации схемы с контролируемым импедансом необходимо, чтобы у него не было разрывов вдоль всей линии, т. е. чтобы он имел плоскую характеристику.

  1. В тех местах линии передачи, где изменяется импеданс, возникают отражения. Это происходит из-за несоответствия между импедансами источника сигнала и нагрузки, межслойных переходов, диэлектрических материалов, ответвлений, переходных отверстий, разъемов и корпусов микросхем. Во избежание этих нежелательных эффектов необходимо согласовать линии передачи, не использовать межслойные переходы без общего опорного слоя и уменьшить длину ответвлений.
  2. Эти отражения способствуют увеличению перекрестных помех из-за сильной связи между сигнальными проводниками с другими элементами схемы. Необходимо размещать проводники ближе к опорному слою, избегать использования длинных параллельных участков проводников и увеличить расстояние между сигнальными проводниками агрессора.
  3. Известен ряд рекомендаций, позволяющих предотвратить фазовый сдвиг в стекловолокне. Однако проще всего воспользоваться двумя комбинированными слоями из препрега 1067 – диэлектрического материала, который помещается между сигнальным и опорными слоями. В результате обеспечивается постоянное процентное отношение между содержанием смолы и стекловолокном в диэлектрике, а также контроль над относительной задержкой распространения в пределах до 2 пс на 12 дюймов.
  4. Сдвиг сигнала по фазе происходит также в тех случаях, когда дифференциальные пары согласованы неправильно. Дифференциальный сдвиг – это разность по времени между двумя несимметричными сигналами дифференциальной пары. Любое рассогласование по задержке приводит к превращению части дифференциального сигнала в синфазный ток. Рассогласование (например, на изгибе проводников) следует устранить, удлинив соответствующий сегмент проводника на изгибе.
  5. Не следует размещать критически важные сигнальные проводники на внешних (микрополосковых) слоях, т. к. эти проводники чувствительны к изменению импеданса, а производителю трудно контролировать толщину гальванического покрытия.
  6. Не следует размещать медную заливку рядом с сигнальными проводниками, т. к. она уменьшает импеданс рядом находящегося участка проводника. Для соблюдения изоляционного промежутка необходимо, чтобы высота медной заливки в три раза превышала высоту диэлектрического слоя.

Тщательно продуманные проектные ограничения позволят предотвратить многие из упомянутых проблем. Кроме того, для выявления проблем проектирования печатных плат, влияющих на электромагнитную совместимость и целостность питания, можно воспользоваться дополнительным модулем HyperLynx DRC.

 

Влияние импеданса схемы распределения питания на ЭМП

Итак, мы установили, насколько велико влияние импеданса соединительных проводников на рабочие характеристики всей системы. Как известно, импеданс определяется во временной и частотной областях. Во временной области следует учитывать влияние импеданса соединительных проводов на распространение электромагнитной энергии. Однако в частотной области импеданс должен быть ниже приемлемого уровня во избежание чрезмерного излучения.

В схеме распределения питания, как правило, применяются развязывающие конденсаторы. В прошлом считалось обязательным устанавливать на каждый вывод питания ИС несколько конденсаторов для стабилизации питания. Такой подход был оправдан на низких частотах. Анализ во временной области показывает, что развязывающие конденсаторы накапливают заряд, которым питается нагрузка при резком изменении потребления. Однако анализ в частотной области показывает, что развязывающие конденсаторы выполняют еще одну необходимую функцию – уменьшают импеданс линии. Следовательно, эти конденсаторы выполняют две разные функции, которые работают сообща, но в разных областях. Мы проанализируем поведение импеданса в частотной области и его влияние на электромагнитные помехи.

Схема распределения питания работает по взаимозависимому принципу: изменения в ее небольшой части влияют на рабочие характеристики всей схемы. Особенно заметным становится это влияние, если речь идет о добавлении к профилю конденсаторов монтажной распределенной индуктивности.

Индуктивность оказывает наибольшее влияние на ВЧ-полосу, где сигналы на нечетных гармониках основной частоты становятся источниками излучения, если эти гармоники приходятся на пиковые значения импеданса (см. рис. 3). Дополнительная индуктивность увеличивает импеданс и уменьшает резонансную частоту конденсаторов. Добавление конденсаторов в схему распределения питания уменьшает импеданс на некоторых частотах, а эквивалентное параллельное сопротивление определяет минимальный импеданс на резонансной частоте (провалы).

сигналы на нечетных гармониках основной частоты являются источниками ВЧ-излучения (планировщик iCD PD)
Рис. 3. Сигналы на нечетных гармониках основной частоты являются источниками ВЧ-излучения (планировщик iCD PD)

Схема распределения питания выполняет четыре основные функции:

  1. Обеспечивает микросхемам низкоимпедансный тракт питания с большим током.
  2. Уменьшает шум источника питания перед кристаллом ИС.
  3. Минимизирует скачки потенциала земляной шины и синфазное напряжение между кристаллом ИС и возвратным трактом.
  4. Уменьшает электромагнитное излучение от краевых полей платы.

Стандартная топология схемы распределения питания (см. рис. 4) состоит из множества соединений между модулем стабилизатора напряжения (VRM) и конденсаторами, переходными отверстиями, широкими проводниками, медной заливкой, слоями питания и заземления, шариковыми выводами из припоя, а также соединительными проводами самой микросхемы. Назначение схемы распределения питания заключается в подаче постоянного напряжения с допуском 5% на силовые выводы каждой ИС. Это напряжение должно быть стабильным в полосе частот от нулевой до максимальной, которая, как правило, в пять раз превосходит основную. В то же время соединения, обеспечивающие подачу питания, должны оснащаться возвратным сигнальным трактом. В нем коммутационные помехи большой амплитуды от источника питания могут влиять на токи возвратного сигнального тракта.

Стандартная топология схемы распределения питания
Рис. 4. Стандартная топология схемы распределения питания

При прохождении обратного тока через импеданс полостей между двумя слоями возникает напряжение. Несмотря на малую величину, накопленный шум от одновременно переключающихся устройств может стать значительным. По мере уменьшения основного напряжения питания ужесточаются требования к запасу помехоустойчивости.

Напряжение на элементах, расположенных рядом с переходным отверстием для сигнала, наводит помеху на полость, вызывая в ней резонанс, или на другие соседние участки платы (например, между медными заливками). Другие сигнальные сквозные отверстия, проходящие через эту полость, становятся источниками перекрестных помех, вызванных напряжением в переходном процессе. Чем больше коммутационных сигналов проходит через полость, тем больше помех наводится на другие сигналы – помехи воздействуют на всю полость, а не только на те ее части, которые находится в непосредственной близости к сквозным отверстиям сигнала–агрессора. Шум полости распространяется в виде стоячих волн по всей паре слоев.

Таким образом, основной механизм проникновения ВЧ-шума в полость заключается в том, что проходящие через нее сигналы используют каждый слой как возвратный тракт. Если не прибегнуть к мерам по нейтрализации излучения полости в слое, плата становится источником излучения электромагнитных помех (см. рис. 3). Однако оптимизированная схема распределения питания позволяет решить многие проблемы, обусловленные ЭМП, и успешно пройти испытания на ЭМС.

Как эффективно исключить нежелательное влияние полости на помехи? По мере непрерывного уменьшения размеров элементов печатных плат и возрастания скоростей передачи сигналов наиболее экономичным решением, позволяющим увеличить целостность питания, является применение планарных емкостных ламинатов и встраиваемых емкостных материалов (ECM). Эта технология обеспечивает эффективную развязку высокопроизводительных ИС и уменьшает электромагнитное излучение.

Встроенная емкость в значительной мере уменьшает индуктивность:
Рис. 5. Встроенная емкость в значительной мере уменьшает индуктивность:
а) дискретный развязывающий конденсатор – высокая индуктивность;
б) встроенный емкостной материал – малая индуктивность

У встраиваемых емкостных материалов – очень малая толщина диэлектрика (0,24–2,0 мил), который располагается между двумя медными слоями. Эта технология, обеспечивающая распределенную развязывающую емкость, заменяет стандартные дискретные развязывающие конденсаторы в диапазоне выше 1 ГГц (см. рис. 5). К сожалению, применение стандартных развязывающих конденсаторов не приносит ожидаемого результата на этих частотах, и единственный способ уменьшить импеданс схемы распределения питания в этом диапазоне заключается в использовании ECM-материалов или емкости на кристалле. Эти очень тонкие ламинаты, заменяющие стандартные слои питания и заземления, размещаются в многослойной плате непосредственно под или над микросхемой, что позволяет значительно уменьшить индуктивность контура. Плотность емкости ECM-материала компании 3M с очень малой индуктивностью достигает 20 нФ/кв. дюйм. Это самый высокий показатель по сравнению с другими материалами, представленными на рынке. В таблице перечислены ECM-материалы разных производителей. У этой продукции – отличные значения диэлектрической проницаемости (Dk) и тангенса угла потерь (Df) в диапазоне до 15 ГГц.

Таблица. Описание ECM-материалов некоторых производителей
Производитель Материал Описание Толщина, мил
3M ECM встраиваемые емкостные материалы 0,24; 0,47; 0,55
DuPont Interra HK4,11 очень тонкий ламинат 0,5; 1,0
Integral Technology Zeta Bond адгезивная пленка с высокой температурой стеклования на базе эпоксидной смолы 1,0; 1,5; 2,0
Integral Technology Zeta Lam SE диэлектрик в C-фазе с малым КТР и высокой температурой стеклования 1
Integral Technology Zeta Cap медь с полимерным покрытием 1
Oak-Matsui Technology FaradFlex планарный конденсатор 0,31; 0,47; 0,63; 0,94
Samina ZBC-1000 утопленная емкость, высокоэффективная развязка 1
Samina ZBC-2000 утопленная емкость, высокоэффективная развязка 2

Эти специализированные ECM-материалы, используемые в виде очень тонких диэлектрических слоев, изготовлены с очень высокой точностью. Однако если бюджет проекта невысок, можно использовать планарный конденсатор с двумя встроенными слоями, расположенными близко к поверхности или к нижней части многослойной платы. Как вариант можно задействовать 2‑мил ламинат в качестве пары слоев во внутренней части платы. Такие решения не настолько хороши, как те, которые основаны на применении ECM-материалов, но намного лучше типовых ламинатов большей толщины.

Цель проектирования высокоэффективной схемы распределения питания заключается в уменьшении пиковых значений импеданса ниже заданного значения и в исключении пиковых составляющих частоты из полосы сигналов. Для этого необходимо уменьшить полостной резонанс и излучения.

Использование тонкого диэлектрического слоя в полости – самый эффективный способ уменьшить пиковую амплитуду резонанса. Благодаря этому слою уменьшается распределенная индуктивность и импеданс полости, а также резонансные пики за счет ослабления ВЧ-составляющих. Поскольку при разделении более тонким слоем площадь эквивалентного магнитного потока уменьшается на краю пары слоев, что ведет к ослаблению эквивалентного локального краевого поля, сокращается излучение при заданной напряженности поля.

Для добавления планарной емкости следует выбирать диэлектрик с высоким показателем Dk, что, казалось бы, противоречит широко распространенному принципу выбора материалов для высокоскоростных приложений, в соответствии с которым используется малая диэлектрическая проницаемость. Однако в данном случае речь идет о диэлектрическом слое, размещаемом между двумя плоскостями, что почти не оказывает влияния на характеристики сигнала.

Резонансные частоты полости с параллельно расположенными элементами можно переместить за максимальную частоту полосы сигналов, уменьшив размер плоскостей и добавив массив «сшивающих» сквозных отверстий между плоскостями полости.

В тех случаях, когда отношение длины прямоугольной плоскости к ее ширине является простым кратным (например, равно 1; 1,5 или 2), резонансные частоты вдоль длины и ширины совпадают, что вызывает образование более высоких Q‑пиков, чем обычно. Следовательно, рекомендуется избегать использования прямоугольных плоскостей с таким показателем и выбирать отношения длины к ширине в виде иррациональных чисел.

На резонансной частоте пара слоев излучает электромагнитные поля на краю платы в виде краевых полей. Это излучение можно уменьшить, разделив плоскости заземления и питания, что, однако, не годится в случае многослойных плат. Как вариант, толщину плоскости питания можно несколько уменьшить (примерно до 200 мил) по сравнению с заземляющей плоскостью. В результате излучение на краях платы в некоторой степени уменьшится.

Планарная емкость позволяет уменьшить ЭМП путем минимизации площади контура, пульсации напряжения питания и резонанса плоскостей. Кроме того, в результате в три раза улучшается теплопередача по сравнению с использованием стандартного внутреннего слоя. Соотношение цена/производительность системы тоже улучшается за счет сокращения количества дискретных конденсаторов, размера печатной платы, повышения целостности сигналов и питания. Самым привлекательным преимуществом использования ЕСМ вместо стандартных материалов является быстрая замена диэлектрика при устранении неисправностей в схеме распределения питания.


На заметку

  • В несогласованных линиях энергия преобразуется в тепло, поступает в соседние элементы, отражается или излучается.
  • Импеданс является определяющим показателем при решении проблем, влияющих на целостность сигналов.
  • Импеданс линии передачи зависит от геометрических размеров и формы проводников, а также от диэлектрической проницаемости материала, который находится рядом с ними или разделяет их.
  • У проводников печатной платы наиболее критичным размером является отношение ширины проводников к высоте над или под опорным слоем.
  • Микрополосковые линии передачи сравнительно больше зависят от изменения импеданса, что является еще одной веской причиной не размещать проводники с критически важными сигналами на внешних слоях.
  • Изменения импеданса вдоль линии передачи имеют намного большее значение для анализа, чем его абсолютное значение.
  • Необходимо обеспечить плоский профиль характеристики импеданса, который свидетельствует об отсутствии разрывов, возникающих при некорректной трассировке сигнальных проводников.
  • Тестовые фрагменты, изготовленные с учетом требований спецификаций, не гарантируют полного контроля над импедансом проводников платы.
  • Для реализации схемы с контролируемым импедансом необходимо, чтобы у него не было разрывов вдоль всей линии, т.е. чтобы он имел плоскую характеристику.

 


И еще

  • Анализ во временной области показывает, что развязывающие конденсаторы накапливают заряд, которым питается нагрузка при резком изменении потребления.
  • Анализ в частотной области показывает, что развязывающие конденсаторы выполняют еще одну необходимую функцию – уменьшают импеданс линии.
  • Дополнительная индуктивность увеличивает импеданс и уменьшает резонансную частоту конденсаторов.
  • Коммутационные помехи большой амплитуды от источника питания могут влиять на токи возвратного сигнального тракта.
  • По мере уменьшения основного напряжения питания ужесточаются требования к запасу помехоустойчивости.
  • Напряжение на элементах, расположенных рядом с переходным отверстием для сигнала, наводит помеху на полость, вызывая в ней резонанс, или на другие соседние участки платы.
  • Шум полости распространяется в виде стоячих волн по всей паре слоев.
  • Если не прибегнуть к мерам по ослаблению излучения полости в слое, плата становится источником электромагнитных помех.
  • Оптимизированная схема распределения питания позволяет решить многие проблемы, обусловленные ЭМП, и успешно пройти испытания на ЭМС.
  • Наиболее экономичным решением, позволяющим увеличить целостность питания, является применение планарных емкостных ламинатов или встраиваемых емкостных материалов.
  • Технология ECM заменяет стандартные дискретные развязывающие конденсаторы в диапазоне выше 1 ГГц.
  • Очень тонкие ламинаты, заменяющие стандартные слои питания и заземления, размещаются на многослойной плате рядом с микросхемой.
  • Плотность емкости ECM-материалов с очень малой индуктивностью достигает 20 нФ/кв. дюйм.
Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *