Прокладка управляемого импеданса

С ростом скоростей переключения устройств трассировка с контролируемым импедансом стала одной из самых актуальных тем для цифрового разработчика. На этой странице рассказывается, как использовать движок анализа целостности сигналов (Signal Integrity) для согласования импедансов компонентов и возможности трассировки с контролируемым импедансом в редакторе PCB.

В инженерной среде есть поговорка: существует только два типа инженеров-электронщиков, работающих в цифровом проектировании — те, кто уже сталкивался с проблемами целостности сигналов, и те, кому это ещё предстоит. Ещё не так давно термин «целостность сигналов» был уделом специалистов, и им приходилось заниматься только в высокоскоростных проектах. Однако скорости переключения устройств в таких высокоскоростных проектах уже не являются чем-то особенным — они быстро становятся нормой. По мере того как совершенствование технологии интегральных схем уменьшает размер транзистора, растут и скорости его переключения. Именно эта скорость переключения влияет на целостность цифровых сигналов.

К счастью, многих потенциальных проблем целостности сигналов можно избежать, следуя хорошим принципам проектирования и реализуя плату как плату с контролируемым импедансом. Для этого требуются определённые возможности САПР — нужны инструменты анализа, которые выявляют цепи с потенциальными проблемами звона и отражений, и инструменты проектирования платы, позволяющие обеспечить правильные импедансы трассировки. Редактор PCB в Altium Designer обладает этими возможностями.

Эта страница поможет понять, что вызывает проблемы целостности сигналов и будет ли ваша плата, вероятнее всего, страдать от них. Также здесь рассматриваются два подхода к проектированию, которые необходимо применять для минимизации потенциальных SI‑проблем — согласование импедансов компонентов и трассировка с контролируемым импедансом.

Когда трассировка становится частью схемы

По мере роста скоростей переключения устройств растут и требования к разработчику печатных плат и производителю. Когда длительность фронта переключения сигнала становится меньше, чем длина дорожки PCB, по которой он проходит, эту дорожку приходится рассматривать как часть электрической цепи. У дорожки есть импеданс, который называют characteristic impedance (Zo).

Лучший способ управлять влиянием этих дополнительных элементов схемы — спроектировать трассировку так, чтобы волновое сопротивление (характеристический импеданс) оставалось постоянным по всей длине; этот приём называется controlled impedance routing.

Импеданс трассировки определяется:

• Cross-sectional area of the trace - определяется по ширине, высоте (толщине меди) и наклону боковых стенок дорожки, сформированных в процессе травления.
• Distance from the trace to the reference plane(s) - обратный путь возврата энергии сигнала так же важен, как и путь самого сигнала. Этот обратный путь следует за сигнальным путём по соседним опорным плоскостям (reference plane).
• Properties of the surrounding materials - энергия сигнала не «заключена» внутри меди дорожки; из‑за скин‑эффекта она также распространяется в диэлектрике вокруг дорожки. Диэлектрическая проницаемость материала показывает, насколько диэлектрик влияет на распространение этой энергии.

   
Калькулятор импеданса Simbeor рассчитывает требуемую(ые) ширину(ы) для достижения заданного импеданса.

Нужна ли мне трассировка с контролируемым импедансом?

Нужно ли вообще заниматься трассировкой с контролируемым импедансом, спросите вы?

В идеальной ситуации вся энергия, выходящая с выходного вывода компонента, должна быть связана с подключённой дорожкой на PCB, пройти по трассировке к входному выводу нагрузки на другом конце и быть поглощённой этой нагрузкой. Если нагрузка поглощает не всю энергию, оставшаяся энергия может отразиться обратно в трассировку PCB и вернуться к выходному выводу источника. Эта отражённая энергия может взаимодействовать с исходным сигналом, складываясь с ним или вычитаясь из него (в зависимости от полярности), что приводит к звону. Если звон достаточно велик, он ухудшит целостность сигнала, вызывая непредсказуемое, ошибочное поведение схемы.

Как понять, может ли это произойти? Если вывод источника успевает завершить переход фронта до того, как сигнал достигнет вывода нагрузки, существуют условия, при которых на ваш проект могут повлиять отражения. Распространённое эмпирическое правило для оценки вероятности SI‑проблем — правило «1/3 времени нарастания». Оно гласит: если длина дорожки больше, чем 1/3 времени нарастания, могут возникать отражения (звон). Если у вывода источника время нарастания 1 нс, то трасса длиннее 0,33 нс (примерно 2 дюйма в FR4) должна рассматриваться как линия передачи и как кандидат на проблемы целостности сигналов. Если ваши устройства имеют такое время нарастания и вы знаете, что у вас будут трассы такой длины, то на PCB могут возникнуть проблемы целостности сигналов.

Как контролировать импедансы?

Как избежать ситуации, когда энергия многократно отражается между источником и нагрузкой? Это достигается согласованием импедансов. Согласование импедансов гарантирует, что вся энергия передаётся от источника в трассировку, а затем из трассировки в нагрузку. Трассировка платы с учётом импеданса называется трассировкой с контролируемым импедансом; иначе говоря, плата, в которой импедансы были управляемо обеспечены, называется PCB с контролируемым импедансом.

Для достижения согласования импедансов есть два отдельных элемента: первый — согласование компонентов; второй — трассировка платы так, чтобы получить требуемый импеданс.

Согласование импедансов компонентов

Нельзя получить PCB с контролируемым импедансом только за счёт трассировки. Сначала необходимо проверить и, при необходимости, согласовать импедансы компонентов.

В идеале следует выявлять цепи, которые могут иметь потенциальные проблемы целостности сигналов, ещё на этапе ввода схемы — чтобы любые дополнительные элементы терминации можно было добавить до начала проектирования платы. Поскольку выходные выводы имеют низкий импеданс, а входные — высокий, вероятно, вам потребуется добавить в проект элементы терминации для согласования импедансов.

Вы можете выполнить анализ целостности сигналов на этапе ввода схемы. При выполнении команды Tools » Signal Integrity часто появляется диалог Errors or Warnings, указывающий, что не всем компонентам назначены модели целостности сигналов. Движок анализа Signal Integrity автоматически выберет модели по умолчанию на основе позиционных обозначений компонентов; нажмите Continue, чтобы использовать значения по умолчанию, или Model Assignments, чтобы просмотреть и изменить модели. Доступ к диалогу Signal Integrity Model Assignments можно получить в любое время через кнопку Model Assignments на панели Signal Integrity.

Анализ проекта

При выполнении команды Tools » Signal Integrity проект анализируется, и все потенциально проблемные цепи отображаются на панели Signal Integrity, как показано ниже.

Проверка проекта на потенциальные проблемы целостности сигналов на этапе ввода схемы.

На панели можно выполнить анализ отражений для выбранной цепи (или цепей). Слева показаны результаты анализа для всех цепей проекта. Выберите цепь и нажмите кнопку  (или дважды щёлкните имя цепи), чтобы перенести её в поле Net справа на панели, где можно выполнить детальный анализ этой цепи, включая:

• Просмотр выводов в этой цепи: можно щёлкнуть один раз, чтобы выполнить кросс‑пробинг к этому выводу на схеме, или дважды щёлкнуть, чтобы проверить и настроить модель, назначенную этому выводу.
• Включить один или несколько теоретических вариантов терминации для этой цепи.
• Выполнить анализ отражений (Reflection Analysis) для цепи, получив набор осциллограмм, показывающих поведение на каждом выводе в цепи.

Панель позволяет экспериментировать с возможными конфигурациями и номиналами терминации. Обратите внимание, что в Termination области панели Signal Integrity, показанной на изображении выше, включена опция Serial Res. В нижней части панели показан последовательный резистор терминации. Здесь задаются минимальное и максимальное теоретические значения последовательного сопротивления терминации, которые будут использоваться для анализа отражений (снимите флажок Suggest, чтобы ввести собственные значения).

Изучение результатов

При нажатии кнопки Reflection Waveforms выполняется точный анализ отражений для этой цепи, а результаты отображаются в новом окне осциллограмм (*.SDF).

Окно осциллограмм будет включать:

• Диаграмму (Chart) для каждой анализируемой цепи; используйте вкладки в нижней части окна для переключения между диаграммами.
• Каждая диаграмма будет включать график для каждого вывода (pin) в этой цепи (net), показывающий поведение сигнала на данном выводе.

На изображениях ниже показаны два графика результатов на входном выводе цепи, выбранной на предыдущем изображении панели. Первый график — входной вывод в цепи без согласования; второй график показывает шесть прогонов (sweep): один для исходной несогласованной цепи, а затем пять прогонов с добавленным на выводе источника теоретическим последовательным согласующим сопротивлением.

Было выполнено пять проходов анализа отражений (Sweep Steps значение параметра = 5), при этом теоретический согласующий резистор изменялся шагами от Min = 20 Ом до Max = 60 Ом. Эти пять проходов (первый — при 20 Ом, последний — при 60 Ом) перечислены в правой части графика. Щелчок по каждой метке подсвечивает соответствующий результат и отображает значение теоретического согласующего сопротивления внизу справа. Для этой цепи последовательное согласующее сопротивление 40 Ом дало бы график, выбранный на изображении справа.

График слева показывает анализ отражений для цепи с потенциальными проблемами целостности сигнала; график справа — та же цепь, но с добавленным теоретическим последовательным согласующим резистором примерно 40 Ом.

Что определяет импеданс трассировки?

Вторая часть задачи по получению печатной платы с контролируемым импедансом — проложить дорожки так, чтобы они имели заданный импеданс. На импеданс сигнальной трассировки влияет ряд факторов, включая геометрию дорожек и свойства материалов, используемых при изготовлении PCB.

Редактор PCB включает электромагнитный движок целостности сигнала Simbeor® от Simberian. Точность моделей Simbeor подтверждена с использованием продвинутых алгоритмов 3D full-wave анализа, бенчмаркинга и экспериментальной валидации. Движок Simbeor поддерживает все современные структуры плат и материалы.

Версия Simbeor

Simbeor SFS

Импедансы рассчитываются с помощью Simbeor SFS — квазистатического решателя полей (quasi-Static Field Solver). Simbeor SFS — это продвинутый квазистатический 2D решатель полей на основе метода моментов, валидированный сходимостью, сравнениями и измерениями. Решатель строит сетку по границам диэлектриков и проводников и решает соответствующие уравнения, формируя частотно-зависимые матрицы RLGC для телеграфных уравнений.

Simbeor SFS не является full-wave решателем, поскольку это не требуется для оценки импеданса, задержки или затухания в межсоединениях PCB из‑за квази‑TEM характера распространяющихся там волн. Такие волны можно точно моделировать с параметрами RLGC, извлеченными квазистатическим 2D решателем полей.

Уникальное свойство решателя Simbeor SFS — поддержка моделей шероховатости проводника. Обратите внимание: он не поддерживает модель многослойного проводника (покрытие/плакирование), а шероховатость считается общей для всех проводников. Решатель является квазистатическим, поскольку решение не включает высокочастотную дисперсию, возникающую в микрополосковых линиях (более высокая концентрация полей в диэлектрике с большей диэлектрической проницаемостью на высоких частотах).

► Узнать больше о электромагнитной технологии целостности сигнала Simberian

Поддерживаемые структуры PCB

Импедансы могут быть рассчитаны для следующих структур PCB:

• Микрополосковая линия (Microstrip)
• Симметричная полосковая линия (Symmetrical Stripline)
• Асимметричная полосковая линия (Asymmetrical Stripline)
• Одиночные и дифференциальные копланарные структуры
• Несколько соседних диэлектрических слоев с различными диэлектрическими свойствами.

Настройка PCB для трассировки с контролируемым импедансом

Трассировка с контролируемым импедансом — это настройка геометрии дорожек и свойств материалов платы для получения заданного импеданса. Это выполняется в Layer Stack Manager редактора PCB. Чтобы открыть Layer Stack Manager,, выберите Design » Layer Stack Manager в главном меню. Layer Stack Manager открывается в редакторе документов так же, как лист схемы, PCB и другие типы документов.

Ширина дорожки, необходимая для получения заданного импеданса, рассчитывается как часть профиля импеданса, настраиваемого на вкладке Impedance в Layer Stack Manager.

На основе:

• значений Target Impedance, Target Tolerance и Roughness, которые вы задаете на вкладке Impedance, и
• настроек материалов, определенных на вкладке Stackup, включая:
  • толщину сигнального слоя,
  • толщину окружающих диэлектрических слоев (расстояния до опорной(ых) плоскости(ей)), и 
  • свойства диэлектрического материала (диэлектрическая проницаемость Dk и коэффициент потерь Df).

При корректной настройке этих параметров калькулятор импеданса получает достаточно информации, чтобы вычислить следующее:

• Ширина дорожки (Trace Width)
• Рассчитанный импеданс (Z)
• Импеданс общего режима (Zcomm)
• Отклонение импеданса (Z Deviation)
• Задержка распространения (Tp)
• Индуктивность на единицу длины (p.u.l.)
• Емкость на единицу длины (p.u.l.)

Рассчитанные значения отображаются в разделе Transmission Line панели Properties panel при выборе вкладки Impedance в Layer Stack Manager, как показано ниже.

Профиль импеданса 50Ω, заданный для одиночных цепей, трассируемых на верхнем слое. Наведите курсор на изображение, чтобы отобразить настройки того же профиля для слоя L3 (изображение предоставлено FEDEVEL Open Source, www.fedevel.com).

Настройка стека слоев

Main page: Определение стека слоев

Производственные слои меди и диэлектрика настраиваются на вкладке Stackup в Layer Stack Manager.

• На этой вкладке слои добавляются, удаляются и настраиваются. Для rigid-flex проекта на этой вкладке также включаются и отключаются слои.
• Свойства выбранного в данный момент слоя можно редактировать напрямую в таблице или на панели Properties. Нажмите кнопку  в нижней части рабочей области, чтобы включить панель.
• Щелкните правой кнопкой мыши в таблице слоев или используйте команды Edit » Add Layer, чтобы добавить слой. Добавление медного слоя также добавит диэлектрический слой, если соседний существующий слой тоже является медным.
• Если параметр Stack Symmetry включен в разделе Board панели Properties, слои добавляются парными наборами, симметрично относительно среднего диэлектрического слоя.
• Материал слоя можно либо ввести в выбранную ячейку Material, либо выбрать в диалоге Select Material; нажмите кнопку с многоточием (), чтобы открыть его.
• К медному слою можно добавить финишное покрытие. Используйте подменю Add Layer, чтобы добавить слой Surface Finish к текущему выбранному медному слою, затем нажмите кнопку с многоточием для нового слоя финишного покрытия, чтобы выбрать тип покрытия.
• Выбранный слой можно перемещать вверх или вниз среди слоев того же типа через контекстное меню (правый клик) или меню Edit.
• Область Board панели Properties содержит параметры для принудительного применения Stack Symmetry и Library Compliance. Подробнее об этом ниже.
• Область Board панели Properties отображает сводку по текущему выбранному стеку (или подстеку для многосекционного rigid/flex проекта).

Соображения по стеку слоев

Базовое требование для контроля импеданса — обеспечить путь возврата сигнала под каждым сигнальным путем. Движок Simbeor SI поддерживает как слои-плоскости, так и сигнальные слои, покрытые полигоном. Эти слои пути возврата должны быть распределены по стеку платы. В идеале они располагаются так, чтобы как минимум один слой пути возврата был смежным с каждым сигнальным слоем, несущим трассировку с контролируемым импедансом. Смежный слой пути возврата обеспечивает путь возврата сигнала и, по причинам, которые здесь не рассматриваются, делает это независимо от DC-напряжения, распределяемого этой плоскостью.

Ток возвратного пути, протекающий по плоскости, будет стремиться следовать тому же физическому маршруту, что и дорожка на сигнальном слое, поэтому важно избегать внесения разрывов, таких как разделение (split) или вырез (cutout) в слое пути возврата под любой критичной сигнальной трассировкой.

Помимо выбора подходящего порядка сигнальных и плоскостных слоев, необходимо также определить свойства материалов каждого слоя, включая:

• Толщину меди
• Толщину диэлектрика
• Диэлектрическую проницаемость

Эти значения, а также ширина трассировки, вносят вклад в итоговый импеданс. Достижение требуемого импеданса затем становится процессом подстройки всех этих параметров. Помните, что возможные значения толщины меди и диэлектрика также могут быть ограничены — они зависят от материалов, доступных у вашего производителя PCB.

► Узнать больше о возможных вариантах стека слоев

Определение профилей импеданса

Движок Simbeor встроен в Layer Stack Manager редактора печатных плат (Design » Layer Stack Manager). Чтобы настроить стек слоёв для трассировки с контролируемым импедансом, перейдите на вкладку Layer Stack Manager's Impedance, где можно добавить и настроить профиль импеданса.

Профиль импеданса 50Ω, заданный для отдельных цепей (nets), трассируемых на верхнем слое. Наведите курсор на изображение, чтобы отобразить настройки этого же профиля для слоя L3.

Примечания по созданию и настройке профиля импеданса (Impedance Profile):

1. В Layer Stack Manager переключитесь на вкладку Impedance, как показано выше.
2. Нажмите кнопку (или кнопку , если профиль уже задан), чтобы добавить новый профиль.
3. Задайте требуемые Type, Target Impedance и Target Tolerance импеданса в панели Properties. Поле Description необязательно — оно будет отображаться везде, где показывается имя профиля импеданса.
4. Сетка слоёв разделена на 2 области: слои стека отображаются слева, а затем для каждого сигнального слоя в стеке в области Impedance Profile справа отображается соответствующий слой. Используйте флажок слоя в области Profile, чтобы включить расчёт импеданса для этого слоя. Используя изображение выше как пример и ориентируясь на номер слоя в самом левом столбце, слои L1, L3, L10 и L12 имеют установленный флажок, что включает их в расчёты импеданса.
5. Когда вы щёлкаете по включённому слою в области Profile, все слои в стеке становятся «приглушёнными», кроме тех, которые используются для расчёта импеданса выбранного сигнального слоя (как показано на изображении выше). Отредактируйте опорный(е) слой(и) для этого слоя в столбцах Top Ref и Bottom Ref области Impedance Profile . Обратите внимание: опорный(е) слой(и) могут иметь Type слоя типа Plane или Signal. Например, на изображении выше слой L10 в стеке включён для расчётов импеданса, при этом Top Ref задан как 9-L9, что является слоем Plane, а Bottom Ref задан как 11-L11, что является слоем Signal . Программа предполагает, что если сигнальный слой используется как опорная плоскость, то он содержит сплошную медную плоскость, подключённую к цепи питания или земли.
6. Установите флажок Impedance Profile для каждого другого слоя, который будет нести трассировку с этим импедансом, и настройте опорную(ые) плоскость(и). Наведите курсор на изображение выше, чтобы отобразить профиль импеданса S50 для слоя L3.
7. Если рассчитанная ширина дорожки трассировки — это значение, которое нельзя заказать, вы можете подстроить настройки ширины и зазора.

Подстройка настроек ширины и зазора

Программа вычисляет ширину дорожки (Trace Width) по целевому импедансу и допуску. Нередко рассчитанная ширина дорожки оказывается значением, которое нельзя заказать, например 0,0683 мм. Производитель плат подскажет, какие толщины материалов доступны и какую точность они могут обеспечить по ширине дорожек. Далее процесс сводится к тому, чтобы стартовать с желаемых значений и затем проверять влияние на рассчитанные значения импеданса при подстройке размеров под доступные у производителя.

Чтобы поддержать этот процесс проверки и подстройки параметров, калькуляторы импеданса поддерживают прямой и обратный расчёт импеданса. Режим по умолчанию — прямой (вводите импеданс, программа рассчитывает ширину). Значок  указывает вычисляемую переменную.

  Целевой импеданс 50Ω даёт рассчитанную в прямом режиме ширину (W1) 94,6 мкм. Изображение справа показывает обратный расчёт, когда ширина (W1) установлена в 95 мкм.

Чтобы выполнить обратный расчёт и исследовать разные ширины дорожки для выбранного слоя, введите новое значение Width (W1) и нажмите Enter на клавиатуре. Рассчитанные значения обновятся, отражая влияние изменения ширины. Нажмите кнопку  , чтобы вернуть калькулятор в режим прямого расчёта. Ввод нового значения в Width (W2) изменит значение Etch.

Чтобы исследовать результаты для дифференциальной пары (differential pair) линии передачи, назначьте вычисляемую переменную — либо Trace Width, либо Trace Gap — нажав соответствующую кнопку . Отредактируйте другую переменную, чтобы изменить Target Impedance, или, альтернативно, измените Target Impedance, чтобы посмотреть влияние на другую переменную.

Коэффициент травления (Etch Factor)

Сигнальные дорожки на печатной плате изготавливаются травлением — удалением лишней меди. Поскольку травитель начинает разъедать медь с поверхности, эта медь дольше контактирует с травителем. В результате кромки готовой дорожки получаются с наклоном, уменьшая площадь поперечного сечения готовой дорожки, как показано на изображении ниже.

Площадь меди, потерянной на кромках дорожки (с обеих сторон) при травлении = X * Y

Величина наклона называется коэффициентом травления (Etch Factor), где:

Etch Factor = Y/X

Если Y = X, тогда Etch Factor = 1

Ссылаясь на изображение, показанное в панели Properties:

Наведите курсор на ?, чтобы показать формулу.

Стандартное определение Etch Factor — задавать его как отношение  trace thickness / amount of over-etching. Это даёт следующую формулу:

Etch Factor = T/[0.5(W1-W2)]

Недостаток этого подхода в том, что чтобы задать отсутствие перетрава (то есть вертикальные кромки дорожки), пришлось бы ввести значение inf (бесконечность) для коэффициента травления. Чтобы упростить задание величины травления, формула была инвертирована, так что можно ввести значение 0 (ноль), чтобы указать отсутствие перетрава.

Etch = [0.5(W1-W2)]/T

Ориентация меди

Ещё одна технологическая деталь, влияющая на коэффициент травления, — ориентация меди. Дорожки на плате формируются травлением лишней меди из сплошного листа меди, ламинированного на диэлектрическую подложку. Ориентация меди задаёт направление, в котором медь «выступает» от подложки. Это также можно понимать как направление, с какой стороны выполняется травление — сверху или снизу.

  Установите флажок Trace Inverted, чтобы переключить ориентацию меди с Above на Below.

Шероховатость поверхности проводника

Поверхность каждого медного слоя в печатной плате имеет некоторую шероховатость. При изготовлении PCB поверхность медных слоёв обрабатывают, увеличивая шероховатость, чтобы улучшить адгезию между медью и диэлектрическими слоями. Эта шероховатость становится существенным фактором, влияющим на импеданс проводника при скоростях переключения выше 10 Гбит/с. На основе обширных исследований и анализа отраслевые эксперты пришли к выводу, что шероховатость поверхности можно моделировать с помощью коэффициента коррекции шероховатости, выводимого из значений Surface Roughness и Roughness Factor.

RoughnessНастройки доступны в режиме Layer Stack Manager панели Properties . Эти параметры используются только для проводящих слоёв.

Шероховатость поверхности учитывается при расчёте волнового (характеристического) импеданса.

Шероховатость:

• Model Type - предпочтительная модель для расчёта влияния шероховатости поверхности (см. статьи ниже для дополнительной информации о различных моделях). Применяется ко всем медным слоям в подстеке.

• Surface Roughness - значение шероховатости поверхности (можно получить у вашего производителя). Введите значение в диапазоне от 0 до 10 мкм, значение по умолчанию — 0,1 мкм

• Roughness Factor - характеризует ожидаемое максимальное увеличение потерь проводника из‑за эффекта шероховатости. Введите значение от 1 до 100; по умолчанию — 2.

Дополнительные материалы

• Practical methodology for analyzing the effect of conductor roughness on signal losses and dispersion in interconnects: Y. Shlepnev, C. Nwachukwu, DesignCon2012.
• Unified approach to interconnect conductor surface roughness modeling: Y. Shlepnev, 2017 IEEE 26th Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS2017)

Поддержка копланарных структур линий передачи

Калькулятор импеданса в Layer Stack Manager поддерживает одиночные и дифференциальные копланарные структуры. Создайте новый профиль импеданса, затем выберите Single-Coplanar или Differential-Coplanar из выпадающего списка Type Impedance Profile.

Работа с копланарными структурами:

• Как и для стандартных одиночных и дифференциальных импедансов, значения каждой переменной автоматически рассчитываются на основе заданных пользователем Target Impedance и Target Tolerance и физических свойств слоёв платы. Эти автоматически рассчитанные значения можно подстроить, введя новые значения в поля редактирования режима Layer Stack Manager панели Properties.
• Чтобы указать сигнальные цепи, которые нужно трассировать с копланарной структурой, настройте правило проектирования Routing Width (или Differential Pairs Routing) с включенной опцией Use Impedance Profile и выберите требуемый профиль Coplanar Impedance Profile.
• Копланарные структуры требуют опорной плоскости по обе стороны сигнального проводника; её можно создать полигоном, который вы размещаете, либо (если добавляются прошивочные переходные отверстия) с помощью команды Add Shielding to Net (подробнее ниже). Если вы размещаете полигон, расстояние между этим полигоном и сигнальным проводником задаётся значением Clearance (S), определённым калькулятором импеданса Simbeor (отображается в панели Properties, показано на изображениях выше и ниже). Настройте правило проектирования Clearance design rule, чтобы управлять зазором между опорным полигоном и сигнальным проводником (show image).
• Распространённая практика — добавлять «забор» из переходных отверстий (via fence) вдоль каждой стороны сигнальной дорожки, когда копланарная структура заземлена. Для этого используйте команду Tools » Via Stitching/Shielding » Add Shielding to Net в PCB-редакторе. Помимо размещения переходных отверстий, при включении опции Add shielding copper эта команда также может разместить полигон вокруг сигнальной трассировки, чтобы перекрыть via fence, как показано на изображении справа ниже.
  ► Узнать больше о Via Shielding

  Калькулятор импеданса определяет параметры сигнала и зазоры (первое изображение); используйте этот зазор в настройке Distance для via shielding.

Выбор материала слоёв

В проектировании с контролируемым импедансом выбор материалов, используемых в стеке слоёв, очень важен.

Например, самый распространённый материал для изготовления печатных плат — эпоксидная смола, армированная стекловолокном (fiberglass), с приклеенной медной фольгой с каждой стороны. Плотность переплетения стеклоткани влияет на значение и стабильность диэлектрической проницаемости Dk (permittivity) и тангенса угла диэлектрических потерь Loss Tangent Df. Вокруг тканого стекловолокна находится смола — процентное содержание смолы также важно для характеристик материала.

Существует широкий диапазон переплетений стеклоткани. Чтобы обеспечить предсказуемость и характеристики материалов на основе стекловолокна, применяемых при изготовлении печатных плат, организация IPC имеет стандарт на переплетения:

IPC standard IPC-4412B: Specification for Finished Fabric Woven from "E" Glass for Printed Boards

Библиотека материалов

Как разработчик, вы можете либо редактировать свойства материала напрямую в Layer Stack Manager либо выбирать материалы из Altium Material Library.

Всю библиотеку можно просмотреть (и пополнить) в диалоге Altium Material Library dialog (Tools » Material Library).

Материалы организованы по категориям применения, доступным через древовидную структуру слева в диалоге. Ниже этого уровня каждая категория применения разбита на функциональные категории, такие как Conductive layer material, Dielectric layer material, и Surface Layer Material in в категории PCB layer material.

Добавление, сохранение и загрузка материала

Новый материал можно добавить в библиотеку, когда в дереве выбрана конкретная категория материалов. Материалы, определённые во внешней библиотеке материалов, можно загрузить (кнопка Load), а пользовательский материал, добавленный в диалоге Altium Material Library, также можно сохранить в пользовательскую библиотеку (кнопка Save). Сохраняется только пользовательский материал.

Добавление пользовательских свойств к материалу

Пользовательские свойства можно добавлять к материалам, описанным в библиотеке (как к материалам по умолчанию, так и к пользовательским). Чтобы добавить пользовательское свойство, сначала выберите правильный узел в дереве слева, чтобы определить материал(ы), к которым оно будет добавлено, затем нажмите кнопку  , чтобы открыть диалог Material Library Settings.

Затем требуемое значение можно добавить к выбранному материалу в диалоге Altium Material Library; выберите строку и нажмите кнопку Edit.

Панель Properties

Когда активна вкладка Impedance документа Layer Stack, панель Properties позволяет настроить требования к профилю импеданса (Impedance Profile). Затем требуемый Impedance Profile можно выбрать в правилах проектирования Routing Width или Differential Pairs Routing.

• Impedance Profile
  • Description – введите осмысленное описание. Это поле необязательное и будет отображаться везде, где отображается имя Impedance Profile.
  • Type – используйте выпадающий список, чтобы выбрать тип импеданса. Варианты: Single, Differential, Single-Coplanar и Differential-Coplanar.

• Target Impedance – введите импеданс, которого вы хотите достичь.
• Target Tolerance – введите допуск, которого вы хотите достичь. Следует проконсультироваться с производителем, чтобы определить реалистичное значение допуска, которое он может обеспечить.
• Transmission Line
  • Trace inverted – включите эту опцию, чтобы инвертировать дорожку, как показано в панели Properties. Эта опция совпадает с опцией Copper Orientation, отображаемой при активной вкладке Stackup, и определяет направление, в котором медь ламинируется на сердечник. Ориентация меди задаёт направление, в котором медь «выступает» от подложки. Также это можно понимать как направление, с которого выполняется травление меди — сверху или снизу.
  • Etch – Etch Factor — это = T/[(W1-W2)/2], который уменьшает общую площадь поперечного сечения дорожки на величину, равную квадрату толщины меди. Уточните у производителя плат информацию о Etch, формируемом их технологическими процессами.

• Width (W1) / (W2) – W1 — ширина трассируемой дорожки, W2 — ширина верхней поверхности этой дорожки после травления с учётом коэффициента Etch. Доступна функция прямого/обратного расчёта ширины дорожки. По умолчанию ширина рассчитывается на основе введённого вами Target Impedance (прямой расчёт). Эта ширина может оказаться значением, которое производитель не сможет обеспечить, например 5.978, и он захочет более «разумное» значение, например 6.0. Вы можете ввести 6.0 в поле Width и нажать Enter на клавиатуре, чтобы пересчитать вычисляемые значения (Impedance, Deviation и т. д.). Кнопка становится серой (неактивной), и вы переходите в режим обратного расчёта. Если нажать кнопку, чтобы сделать её активной, вы снова окажетесь в прямом режиме, и Width (W1) вернётся к вычисленному значению. Эта функция позволяет исследовать реалистичные, технологически выполнимые варианты ширины. Ручной ввод значения W2 обновит etch factor соответствующим образом.
• Impedance – программа рассчитывает импеданс на основе свойств материалов, из которых изготовлена плата (медь, core и prepreg), и площади поперечного сечения дорожки (определяется шириной, толщиной и etch factor дорожки).
• Deviation – это мера различия между тем, что вы хотели (целевой импеданс), и тем, что получилось (рассчитанный импеданс). Программа вычисляет отклонение импеданса (то, что вы фактически получите при введённых материалах и размерах) на основе свойств материалов, из которых изготовлена плата (медь, core и prepreg), и площади поперечного сечения дорожки (определяется шириной, толщиной и etch factor дорожки).
• Delay – это время, за которое сигнал проходит от передатчика к приёмнику.
• Inductance – калькулятор импеданса использует значение Impedance для расчёта индуктивности на единицу длины.
• Capacitance – калькулятор импеданса использует значение Impedance для расчёта ёмкости на единицу длины.

• Board
  • Stack Symmetry – включите, чтобы добавлять слои парно, симметрично относительно средней диэлектрической прослойки. При включении стек слоёв сразу проверяется на симметрию относительно центрального диэлектрического слоя. Если какая-либо пара слоёв, равноудалённых от центрального диэлектрического опорного слоя, не идентична, открывается диалог Stack is not symmetric dialog.
  • Library Compliance – при включении для каждого слоя, выбранного из Material Library, текущие свойства слоя проверяются на соответствие значениям определения этого материала в библиотеке.

• Substack – эта информация относится к текущему выбранному субстеку (слои, диэлектрик, толщины и т. д.). При переключении с одного субстека на другой эти данные будут обновляться соответствующим образом (для текущего выбранного субстека).

• Stack Name – введите осмысленное имя субстека. Это поле полезно, когда области X/Y stackup назначается субстек слоёв.
• Is Flex – включите, если субстек является гибким (flex).
• Layers – общее количество слоёв.
• Dielectrics – общее количество диэлектриков.
• Conductive Thickness – толщина проводящего(их) слоя(ёв). Медные сигнальные слои называются проводящими слоями.
• Dielectric Thickness – толщина диэлектрического(их) слоя(ёв).
• Total Thickness – общая толщина платы.

• Other
• Roughness – показывает шероховатость проводящих слоёв.
  • Model Type – предпочтительная модель для расчёта влияния шероховатости поверхности (см. статьи ниже для получения дополнительной информации о различных моделях). Применяется ко всем медным слоям в стеке (должно ли это быть для субстека?).
  • Surface Roughness – значение шероховатости поверхности (можно получить у вашего производителя). Введите значение в диапазоне от 0 до 10 мкм, значение по умолчанию — 0,1 мкм.
  • Roughness Factor – характеризует ожидаемое максимальное увеличение потерь в проводнике из‑за эффекта шероховатости. Введите значение от 1 до 100; по умолчанию — 2.

Настройка правил проектирования

Импеданс трассировки определяется шириной и высотой дорожки и свойствами окружающих диэлектрических материалов. На основе свойств материалов, заданных в Layer Stack Manager, при создании каждого профиля импеданса рассчитываются требуемые ширины трассировки. В зависимости от свойств материалов ширина может изменяться при смене слоя трассировки. Это требование — изменение ширин при смене слоёв трассировки — автоматически управляется соответствующим правилом трассировки, настроенным в PCB Rules and Constraints Editor (Design » Rules).

Для большинства проектов плат определённый набор цепей будет трассироваться с контролируемым импедансом. Распространённый подход — создать класс цепей (net class) или класс дифференциальных пар, включающий эти цепи, а затем создать правило трассировки, нацеленное на этот класс, как показано на изображениях ниже.

Обычно вы вручную задаёте Min, Max и Preferred Widths — либо в верхних настройках ограничений, чтобы применить их ко всем слоям, либо отдельно для каждого слоя в таблице слоёв. Для трассировки с контролируемым импедансом вместо этого включите опцию Use Impedance Profile, затем выберите требуемый Impedance Profile в раскрывающемся списке. После этого область Constraints правила изменится. Первое, что вы заметите: область доступных слоёв больше не будет показывать все сигнальные слои на плате. Теперь будут отображаться только слои, включённые в выбранный Impedance Profile. Значения Preferred Width (и зазор диффпары) обновятся, чтобы соответствовать ширинам (и зазорам), рассчитанным для каждого слоя. Эти предпочтительные значения (Preferred) нельзя редактировать, но значения Min и Max — можно. Установите их на подходящие меньшие/большие значения. После этого цепи можно интерактивно трассировать обычным образом.

Правило проектирования ширины трассировки

Для одиночных цепей ширина трассировки задаётся правилом проектирования Routing Width.

Когда вы выбираете Use an Impedance Profile, доступные слои и Preferred Widths контролируются выбранным профилем.

Правило проектирования трассировки дифференциальных пар

Трассировка дифференциальных пар контролируется правилом проектирования Differential Pair Routing.

Для дифференциальной пары доступные слои, Preferred Width и Preferred Gap контролируются выбранным профилем.

► Узнать больше о Differential Pair Routing

Правило проектирования обратного пути (Return Path)

Разрывы или сужения в обратном пути можно обнаружить с помощью правила проектирования Return Path design rule. Правило Return Path проверяет наличие непрерывного обратного пути сигнала на назначенных опорных слоях (reference layer(s)) выше или ниже сигналов, на которые нацелено правило. Обратный путь может быть сформирован из заливок (fills), областей (regions) и полигональных заливок (polygon pours), размещённых на опорном сигнальном слое или на слое плоскости (plane layer).

Слои обратного пути — это опорные слои, определённые в Impedance Profile, выбранном в правиле проектирования Return Path. Эти слои проверяются, чтобы убедиться, что вдоль пути сигнала существует заданный Minimum Gap (ширина за пределами края сигнала). Добавьте новое правило проектирования Return Path в категории правил High Speed.

Слои обратного пути определяются в выбранном Impedance Profile, а ширина пути (за пределами края сигнала) задаётся параметром Minimum Gap.

На изображении ниже показаны ошибки обратного пути, обнаруженные для сигнала NetX, при настройке Minimum Gap, равной 0.1mm. Ошибки Return Path может быть проще находить, настроив DRC Violation Display Style так, чтобы отображались Violation Details, но не отображался Violation Overlay ( show image) в диалоге Preferences. Это подсвечивает точные места, где правило не выполнено, а не весь объект(ы), нарушающий правило.

► Узнать больше о High Speed Design in Altium Designer

Трассировка цепей с требуемым импедансом

По мере трассировки платы и смены слоёв программное обеспечение автоматически будет подстраивать ширину дорожки до размера, необходимого для достижения заданного импеданса. Такая интерактивная трассировка с контролируемым импедансом значительно упрощает задачу проектирования PCB с контролируемым импедансом.

Подстройка длины трасс (Length Tuning)

Две ключевые сложности при трассировке высокоскоростного проекта — контроль импеданса трасс и согласование длин критичных цепей. Трассировка с контролем импеданса обеспечивает корректный приём сигнала, выходящего с вывода, целевыми входными выводами. Согласование длин трасс обеспечивает одновременное прибытие критичных по времени сигналов на целевые выводы. Подстройка и согласование длин трасс также является важной составляющей трассировки дифференциальных пар.

В трассировку добавлены «аккордеонные» участки, чтобы обеспечить согласование длин дифференциальных пар.

Команды Interactive Length Tuning и Interactive Diff Pair Length Tuning (меню Route) предоставляют динамический способ оптимизации и контроля длины цепи или дифференциальной пары, позволяя вставлять волновые шаблоны переменной амплитуды (аккордеоны) в соответствии с доступным пространством, правилами и препятствиями в вашем проекте.

► Узнать больше о Length Tuning

Проверка целостности сигнала на разведённой плате

Так же, как вы тестировали цепи на этапе ввода схемы, используя предполагаемую длину и импеданс трассировки, после завершения трассировки следует повторить этот процесс на плате, чтобы проверить потенциальные несоответствия импеданса и проблемы отражений. Запустите команду Signal Integrity из меню Tools редактора PCB. Поскольку PCB является частью проекта, для расчёта импедансов, используемых в тестах целостности сигнала, будут применяться свойства материалов и размеры, заданные в Layer Stack Manager, а также фактические ширины трасс на плате.

Достижение заданных импедансов

Помимо итеративного процесса подстройки размеров, который вы выполняете для получения правильных импедансов, существуют и другие факторы, влияющие на итоговый импеданс, который будет получен на изготовленной плате. К ним относятся стабильность и однородность диэлектрического материала, используемого в PCB, а также стабильность и качество процесса травления. Если вам требуется PCB с контролируемым импедансом, обсудите это с вашим производителем плат. Некоторые производители могут рекомендовать геометрию дорожек, если вы предоставите им предпочитаемый stackup. Многие также могут включить в каждую изготавливаемую панель купон для импедансных испытаний (impedance test coupon) — его можно использовать для измерения реальных импедансов, полученных на плате.

Дополнительное чтение и ресурсы

Эта статья даёт введение в тему целостности сигнала и проектирования PCB с контролируемым импедансом. Используйте следующие ссылки, чтобы узнать больше и получить доступ к ресурсам, разработанным признанными отраслевыми экспертами.

• http://www.speedingedge.com/
• http://www.sigcon.com/
• http://www.bethesignal.com
• http://www.epanorama.net/links/basics.html#highspeed