Прокладка управляемого импеданса

С ростом скоростей переключения устройств трассировка с контролируемым импедансом стала одной из самых актуальных тем для цифрового разработчика. На этой странице описано, как использовать механизм анализа Signal Integrity для согласования импедансов компонентов, а также возможности трассировки с контролируемым импедансом в редакторе PCB.

В инженерной среде есть такое выражение: существует только два типа инженеров-электронщиков, работающих в области цифрового проектирования, — те, у кого уже были проблемы с целостностью сигнала, и те, у кого они еще будут. Еще не так много лет назад термин signal integrity относился скорее к узким специалистам, и сталкиваться с этим приходилось только в высокоскоростных проектах. Однако скорости переключения устройств в таких высокоскоростных проектах уже перестали быть чем-то особенным — они быстро становятся нормой. По мере того как развитие технологий интегральных схем уменьшает размеры транзисторов, растут скорости их переключения. Именно эта скорость переключения и влияет на целостность цифровых сигналов.

К счастью, многих потенциальных проблем с целостностью сигнала можно избежать, если следовать хорошим принципам проектирования и реализовывать плату как плату с контролируемым импедансом. Для этого требуются специальные возможности средств проектирования: нужны инструменты анализа, выявляющие цепи с потенциальными проблемами звона и отражений, а также инструменты проектирования плат, позволяющие получить правильные импедансы трассировки. Редактор PCB в Altium Designer обладает этими возможностями.

Эта страница поможет понять, что вызывает проблемы целостности сигнала и насколько вероятно, что ваша плата будет им подвержена. Также здесь рассматриваются два подхода к проектированию, которые необходимо применять для минимизации возможных проблем SI: согласование импедансов компонентов и трассировка с контролируемым импедансом.

Когда трассировка становится частью схемы

По мере роста скоростей переключения устройств возрастают и требования к разработчику печатной платы и производителю. Когда длительность фронта сигнала становится меньше длины дорожки PCB, по которой этот сигнал проходит, дорожку приходится рассматривать как часть схемы. Эта дорожка имеет импеданс, который называется characteristic impedance (Zo).

Лучший способ управлять влиянием этих дополнительных элементов схемы — спроектировать трассировку так, чтобы характеристический импеданс был постоянным по всей длине. Этот метод называется controlled impedance routing.

Импеданс трассировки определяется:

• Cross-sectional area of the trace - определяется шириной, высотой (толщиной меди) и наклоном боковых стенок дорожки, формируемых в процессе травления.
• Distance from the trace to the reference plane(s) - путь возврата энергии сигнала так же важен, как и путь самого сигнала. Этот возвратный путь проходит вдоль сигнального пути в соседней(их) опорной(ых) плоскости(ях).
• Properties of the surrounding materials - энергия сигнала не ограничивается только медью дорожки; из-за скин-эффекта она также распространяется по диэлектрическому материалу, окружающему дорожку. Диэлектрическая проницаемость материала показывает, насколько этот диэлектрик влияет на протекание этой энергии.

   
Калькулятор импеданса Simbeor вычисляет ширину(ы), необходимую(ые) для получения заданного импеданса.

Нужна ли мне трассировка с контролируемым импедансом?

Вы спрашиваете, нужно ли вообще заниматься трассировкой с контролируемым импедансом?

В идеальной ситуации вся энергия, выходящая с выходного вывода компонента, должна передаваться в подключенную дорожку на PCB, проходить по трассировке платы к входному выводу нагрузки на другом конце и поглощаться этой нагрузкой. Если нагрузка поглощает не всю энергию, оставшаяся энергия может отражаться обратно в трассировку PCB и возвращаться к выходному выводу источника. Эта отраженная энергия может взаимодействовать с исходным сигналом, складываясь с ним или вычитаясь из него (в зависимости от полярности энергии), что приводит к звону. Если звон достаточно велик, он нарушит целостность сигнала, вызывая непредсказуемое и ошибочное поведение схемы.

Итак, как понять, возможно ли это в вашем случае? Если вывод источника способен завершить переход фронта до того, как сигнал достигнет вывода нагрузки, значит, в проекте существуют условия, при которых на него может повлиять отраженная энергия. Распространенное практическое правило, используемое для оценки вероятности проблем SI, — это правило «1/3 времени нарастания». Оно гласит, что если длина трассы превышает 1/3 времени нарастания, могут возникать отражения (звон). Если у вывода источника время нарастания составляет 1 нс, то трассу длиннее 0,33 нс (примерно 2 дюйма в FR4) необходимо рассматривать как линию передачи, то есть как потенциальный источник проблем с целостностью сигнала. Если ваши устройства имеют такое время нарастания и вы знаете, что в проекте будут трассы такой длины, то на PCB могут возникнуть проблемы с целостностью сигнала.

Как контролировать импедансы?

Как избежать ситуации, когда энергия многократно отражается между источником и нагрузкой? Этого можно избежать путем согласования импедансов. Согласование импедансов гарантирует, что вся энергия передается от источника в трассировку, а затем из трассировки в нагрузку. Трассировка платы с учетом импеданса называется трассировкой с контролируемым импедансом; иначе говоря, плата, на которой импедансы находятся под контролем, называется PCB с контролируемым импедансом.

Для достижения согласования импедансов существуют два отдельных аспекта: первый — согласование компонентов, второй — трассировка платы для получения требуемого импеданса.

Согласование импедансов компонентов

Невозможно получить PCB с контролируемым импедансом только за счет одной трассировки. Сначала необходимо проверить импедансы компонентов и при необходимости согласовать их.

В идеале нужно выявлять цепи, которые могут иметь потенциальные проблемы с целостностью сигнала, уже на этапе захвата схемы, чтобы все дополнительные компоненты терминирования можно было включить в проект до начала разработки платы. Поскольку выходные выводы имеют низкий импеданс, а входные — высокий, весьма вероятно, что для согласования импедансов вам потребуется добавить в проект компоненты терминирования.

Анализ целостности сигнала можно выполнить на этапе создания принципиальной схемы. При запуске команды Tools » Signal Integrity часто появляется диалог Errors or Warnings, указывающий, что не всем компонентам назначены модели signal integrity. Механизм 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 определяются на панели Signal Integrity, как показано ниже.

Проверка проекта на потенциальные проблемы с целостностью сигнала на этапе захвата схемы.

С этой панели можно выполнить анализ отражений для выбранной цепи (или нескольких цепей). Слева отображаются результаты анализа для всех цепей проекта. Выберите цепь и нажмите кнопку  (или дважды щелкните по имени цепи), чтобы перенести ее в поле Net справа на панели, где можно выполнить детальный анализ этой цепи, включая:

• Просмотр выводов в этой цепи, где одинарный щелчок выполняет перекрестный переход к этому выводу на схеме, а двойной щелчок позволяет проверить и настроить модель, назначенную этому выводу.
• Включение одного или нескольких теоретических вариантов терминирования для этой цепи.
• Выполнение анализа отражений для цепи с формированием набора осциллограмм, показывающих поведение на каждом выводе цепи.

Панель позволяет экспериментировать с возможными конфигурациями и значениями терминирования. Обратите внимание, что в области Termination панели Signal Integrity, показанной на изображении выше, включена опция Serial Res. В расположенном ниже разделе панели показан последовательный терминирующий резистор. Здесь задаются минимальное и максимальное теоретические значения сопротивления последовательного терминирования, которые будут использоваться при анализе отражений (снимите флажок Suggest, чтобы ввести собственные значения).

Исследование результатов

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

Окно осциллограмм будет содержать:

• Диаграмму для каждой анализируемой цепи; нажимайте вкладки в нижней части окна, чтобы переключаться между диаграммами.
• Каждая диаграмма будет включать график для каждого вывода в этой цепи, показывающий поведение сигнала на этом выводе.

На изображениях ниже показаны два графика результатов для входного вывода цепи, выбранной на изображении предыдущей панели. Первый график показывает входной вывод в цепи без терминатора; второй график показывает шесть проходов: один для исходной цепи без согласования, а затем пять проходов с теоретическим последовательным сопротивлением согласования, добавленным на выводе источника.

Было выполнено пять проходов анализа отражений (значение параметра Sweep Steps = 5), при этом теоретический резистор согласования изменялся ступенчато 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 выделяет соответствующий результат и отображает значение теоретического сопротивления согласования внизу справа. Для этой цепи последовательное сопротивление согласования 40 Ом даст график, выбранный на изображении справа.

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

Что определяет импеданс трассировки?

Вторая часть создания печатной платы с контролируемым импедансом заключается в такой разводке платы, чтобы дорожки имели заданный импеданс. На импеданс сигнальной трассировки влияет ряд факторов, включая размеры проводников и свойства материалов, используемых при изготовлении PCB.

Редактор PCB включает электромагнитный движок Signal Integrity Simbeor® от Simberian. Точность модели Simbeor подтверждена с помощью передовых алгоритмов полного 3D волнового анализа, сравнительного тестирования и экспериментальной валидации. Движок Simbeor поддерживает все современные структуры и материалы плат.

Версия Simbeor

Simbeor SFS

Импедансы рассчитываются с помощью Simbeor SFS, квазистатического решателя полей. Simbeor SFS — это продвинутый квазистатический 2D-решатель полей, основанный на методе моментов, валидированный по сходимости, сравнительным тестам и измерениям. Решатель строит сетку по границам диэлектриков и проводников и решает соответствующие уравнения для формирования частотно-зависимых матриц RLGC для телеграфных уравнений.

Simbeor SFS не является полноволновым решателем, поскольку это не требуется для оценки импеданса, задержки или затухания в межсоединениях PCB из-за квази-TEM природы распространяющихся в них волн. Такие волны могут быть точно смоделированы с помощью параметров RLGC, извлеченных квазистатическим 2D-решателем полей.

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

► Подробнее о технологии электромагнитного анализа целостности сигнала Simberian

Поддерживаемые структуры PCB

Импедансы могут быть рассчитаны для следующих структур PCB:

• Микрополосковая линия
• Симметричная стриплайн-линия
• Асимметричная стриплайн-линия
• 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 размеров 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 проводника, необходимая для получения заданного импеданса, рассчитывается как часть профиля импеданса, настроенного на вкладке Impedance в Layer Stack Manager.

На основе:

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

Если все это настроено правильно, калькулятор импеданса имеет достаточно информации для расчета следующего:

• Ширина проводника
• Расчетный 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  когда в Layer Stack Manager выбрана вкладка Impedance, как показано ниже.

Профиль импеданса 50Ω, заданный для одиночных цепей, трассируемых по верхнему слою. 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

Медные и диэлектрические технологические слои настраиваются на вкладке Stackup в Layer Stack Manager.

• На этой вкладке слои добавляются, удаляются и настраиваются. Для жестко-гибкой конструкции на этой же вкладке также включаются и отключаются слои.
• Свойства текущего выбранного слоя можно редактировать непосредственно в таблице или на панели Properties. Нажмите кнопку внизу рабочей области, чтобы включить эту панель.
• Щелкните правой кнопкой мыши в таблице слоев или используйте команды Edit » Add Layer, чтобы добавить слой. При добавлении медного слоя также будет добавлен диэлектрический слой, если соседний существующий слой тоже является медным.
• Если в разделе Board панели Properties включен параметр Stack Symmetry, слои добавляются симметричными парами относительно центрального диэлектрического слоя.
• Материал слоя можно либо ввести в выбранную ячейку Material, либо выбрать в диалоговом окне Select Material; нажмите кнопку многоточия (), чтобы открыть его.
• К медному слою можно добавить поверхностное покрытие. Используйте подменю Add Layer, чтобы добавить слой Surface Finish к текущему выбранному медному слою, затем нажмите кнопку многоточия для нового слоя поверхностного покрытия, чтобы выбрать тип покрытия.
• Выбранный слой можно перемещать вверх или вниз среди слоев того же типа с помощью контекстного меню или меню Edit.
• Область Board панели Properties включает параметры для принудительного соблюдения Stack Symmetry и Library Compliance. Подробнее об этом ниже.
• Область Board панели Properties отображает сводку по текущему выбранному стеку (или подстеку для многосекционной жестко-гибкой конструкции).

Особенности стека слоев

Ключевое требование для контроля импеданса — наличие пути возврата сигнала под каждым сигнальным проводником. SI-движок Simbeor поддерживает как плоскостные слои, так и сигнальные слои, покрытые полигоном. Эти слои возвратного пути должны быть распределены по всему стеку платы. В идеале они должны быть расположены так, чтобы по крайней мере один слой возвратного пути примыкал к каждому сигнальному слою, несущему трассировку с контролируемым импедансом. Смежный слой возвратного пути обеспечивает возврат сигнала и, по причинам, которые здесь не рассматриваются, делает это независимо от постоянного напряжения, распределяемого этой плоскостью.

Возвратный ток, протекающий по плоскости, будет стремиться следовать по тому же физическому пути, что и трасса на сигнальном слое, поэтому важно избегать разрывов, например разделения или выреза, в слое возвратного пути под любой критически важной 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. Таким образом, получение требуемого импеданса становится процессом подстройки всех этих параметров. Помните, что возможные значения толщины меди и диэлектрика также могут быть ограничены — они определяются материалами, доступными у вашего производителя PCB.

► Подробнее о возможных стеках слоев

Определение профилей импеданса

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

Профиль импеданса 50Ω, заданный для отдельных цепей, трассируемых на верхнем слое. Наведите курсор на изображение, чтобы отобразить параметры того же профиля для слоя L3.

Примечания по созданию и настройке профиля импеданса:

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. Параметр Description является необязательным; он будет отображаться везде, где отображается имя профиля импеданса.
4. Сетка слоев разделена на 2 области: слои стека отображаются слева, затем для каждого сигнального слоя в стеке в области профиля импеданса справа отображается соответствующий слой. Используйте флажок слоя в области Profile, чтобы включить расчет импеданса для этого слоя. Используя изображение выше в качестве примера и ссылаясь на номер слоя, показанный в крайнем левом столбце, слои L1, L3, L10 и L12 имеют установленный флажок слоя, что включает их в расчеты импеданса.
5. Когда вы нажимаете на включенный слой в области Profile, все слои в стеке будут приглушены, кроме тех, которые используются для расчета импеданса выбранного сигнального слоя (как показано на изображении выше). Отредактируйте опорный(е) слой(и) этого слоя в столбцах Top Ref и Bottom Ref области Impedance Profile . Обратите внимание, что опорный(е) слой(и) могут иметь Type слоя либо Plane, либо Signal. Например, на изображении выше слой L10 в стеке включен для расчетов импеданса, при этом Top Ref задан как 9-L9, который является слоем Plane, а Bottom Ref задан как 11-L11, который является слоем Signal . Программное обеспечение предполагает, что если сигнальный слой используется как опорная плоскость, то он содержит сплошную медную плоскость, подключенную к цепи питания или земли.
6. Установите флажок Impedance Profile для каждого другого слоя, который будет использоваться для трассировки с этим импедансом, и настройте опорную(е) плоскость(и). Наведите курсор на изображение выше, чтобы отобразить профиль импеданса S50 для слоя L3.
7. Если рассчитанная ширина проводника трассы имеет значение, которое невозможно заказать, вы можете подстроить параметры ширины и зазора.

Настройка параметров ширины и зазора

Программное обеспечение рассчитывает ширину проводника исходя из целевого импеданса и допуска. Нередко рассчитанная ширина проводника оказывается значением, которое невозможно заказать, например 0,0683 мм. Производитель платы сообщит, какие толщины материалов доступны и какой точности по ширине проводников он может добиться. После этого процесс сводится к тому, чтобы начать с желаемых значений, а затем проверять влияние на рассчитанные значения импеданса при корректировке размеров до реально доступных.

Для поддержки этого процесса проверки и настройки параметров калькуляторы импеданса поддерживают прямой и обратный расчет импеданса. Режим по умолчанию — прямой (вводится импеданс, программа рассчитывает ширину). Значок  указывает на вычисляемую переменную.

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

Чтобы выполнить обратный расчет и исследовать различные ширины проводника 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 расчета. Ввод нового значения в Width (W2) изменит значение Etch.

Чтобы исследовать результаты для линии передачи дифференциальной пары, выберите вычисляемую переменную — либо Trace Width, либо Trace Gap — нажатием соответствующей кнопки . Измените другую переменную, чтобы изменить Target Impedance, или, в качестве альтернативы, измените Target Impedance, чтобы оценить влияние на другую переменную.

Коэффициент травления

Сигнальные проводники на печатной плате изготавливаются путем вытравливания ненужной меди. Поскольку травитель начинает удалять медь с поверхности, эта медь дольше находится в контакте с травителем. В результате готовые края проводника будут иметь наклон, что уменьшает площадь поперечного сечения готового проводника, как показано на изображении ниже.

Площадь меди, потерянной по краям проводника (с обеих сторон) в процессе травления = X * Y

Величина этого наклона называется коэффициентом травления, где:

Etch Factor = Y/X

Если Y = X, то Etch Factor = 1

Обратимся к изображению, показанному в панели Properties:

Наведите курсор на ?, чтобы увидеть формулу.

Стандартное определение коэффициента травления задает его как отношение  trace thickness / amount of over-etching. Это дает следующую формулу:

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

Недостаток этого подхода в том, что для указания отсутствия перетрава (то есть когда края проводника вертикальны) пришлось бы ввести для коэффициента травления значение inf (бесконечность). Чтобы упростить указание степени травления, формула была инвертирована, так что значение 0 (ноль) можно ввести для обозначения отсутствия перетрава.

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

Ориентация меди

Еще одна технологическая деталь, влияющая на коэффициент травления, — это ориентация меди. Проводники печатной платы формируются путем вытравливания ненужной меди из сплошного листа меди, ламинированного на диэлектрическую подложку. Ориентация меди определяет направление, в котором медь выступает от этой подложки. Также это можно рассматривать как направление, с которого медь травится — сверху или снизу.

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

Шероховатость поверхности проводника

Поверхность каждого медного слоя в печатной плате обладает определенной шероховатостью. В процессе изготовления PCB поверхность медных слоев обрабатывается для увеличения шероховатости с целью улучшения адгезии между медью и диэлектрическими слоями. Эта шероховатость поверхности становится существенным фактором, влияющим на импеданс проводника, при скоростях переключения выше 10 Гбит/с. В результате обширных исследований и анализа отраслевые эксперты пришли к выводу, что шероховатость поверхности может моделироваться с помощью коэффициента коррекции шероховатости, полученного из значений Surface Roughness и Roughness Factor.

RoughnessПараметры Layer Stack Manager доступны в режиме Properties панели. Эти параметры используются только для проводящих слоев.

Шероховатость поверхности учитывается при расчете характеристического импеданса.

Шероховатость:

• Model Type - предпочтительная модель для расчета влияния шероховатости поверхности (дополнительную информацию о различных моделях см. в статьях ниже). 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, по умолчанию — 0,1 мкм

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

Дополнительные материалы

• Практическая методология анализа влияния шероховатости проводника на потери сигнала и дисперсию в межсоединениях: Y. Shlepnev, C. Nwachukwu, DesignCon2012.
• Унифицированный подход к моделированию шероховатости поверхности проводников межсоединений: Y. Shlepnev, 2017 IEEE 26th Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS2017)

Поддержка структур копланарных 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 раскрывающегося списка Type профиля импеданса.

Работа с копланарными структурами:

• Как и в случае стандартных одиночных и дифференциальных импедансов, значения каждой переменной автоматически рассчитываются на основе заданных пользователем Target Impedance и Target Tolerance и физических свойств слоев платы. Эти автоматически рассчитанные значения можно скорректировать, введя новые значения в поля редактирования режима Layer Stack Manager панели Properties.
• Чтобы указать сигнальные цепи, которые должны трассироваться с копланарной структурой, настройте правило проектирования Routing Width (или Differential Pairs Routing) с включенной опцией Use Impedance Profile и выбранным требуемым профилем копланарного импеданса.
• Копланарные структуры требуют наличия опорной плоскости по обеим сторонам сигнального маршрута; ее можно создать с помощью полигона, который вы размещаете, либо, если добавляются stitching-переходные отверстия, с помощью команды Add Shielding to Net (подробнее ниже). Если вы размещаете полигон, зазор между этим полигоном и сигнальным маршрутом определяется значением Clearance (S), рассчитанным калькулятором импеданса Simbeor (отображается в панели Properties, показанной на изображениях выше и ниже). Настройте правило проектирования Clearance design rule, чтобы управлять зазором между опорным полигоном и сигнальным маршрутом (show image).
• Распространенной практикой является добавление ограждения из переходных отверстий вдоль каждой стороны сигнальной трассы, когда копланарная структура заземлена. Для этого используйте команду Tools » Via Stitching/Shielding » Add Shielding to Net в PCB editor. Помимо размещения переходных отверстий, при включении параметра Add shielding copper эта команда также может разместить полигон вокруг сигнальной трассировки, чтобы охватить ограждение из переходных отверстий, как показано на изображении справа ниже.
  ► Узнайте больше о Via Shielding

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

Выбор материала слоя

В проекте с контролируемым импедансом выбор материалов, используемых в стеке слоев, имеет очень большое значение.

Например, наиболее распространенный материал для изготовления PCB — это эпоксидная смола, армированная стекловолокном (fiberglass), с медной фольгой, приклеенной с каждой стороны. Плотность плетения стеклоткани влияет на значение и стабильность диэлектрической постоянной Dk (проницаемости) и тангенса угла потерь Df. Вокруг тканого стекловолокна находится смола — процентное содержание смолы также важно для характеристик материала.

Существует широкий выбор типов плетения стекловолокна. Чтобы повысить предсказуемость и характеристики материалов на основе стекловолокна, используемых при изготовлении PCB, IPC разработала стандарт для типов плетения:

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 дополнить) в диалоговом окне Altium Material Library dialog (Tools » Material Library).

Материалы организованы по категориям использования, доступ к которым осуществляется через древовидную структуру в левой части диалогового окна. Ниже этого уровня каждая категория использования разделена на функциональные категории, такие как Conductive layer material, Dielectric layer material, и Surface Layer Material i в категории PCB layer material.

Добавление, сохранение и загрузка материала

Новый материал можно добавить в библиотеку, когда в дереве выбрана определенная категория материалов. Материалы, определенные во внешней библиотеке материалов, можно загрузить (кнопка Load), а пользовательский материал, добавленный в диалоговом окне 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 диалоговое окно Material Library Settings.

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

Панель Properties

Когда активна вкладка Impedance  документа Layer Stack, панель Properties  позволяет настроить требования профиля импеданса. Затем нужный Impedance Profile можно выбрать в правилах проектирования Routing Width или Differential Pairs Routing.

• Impedance Profile
  • Description – введите понятное описание. Это поле необязательное и будет отображаться везде, где отображается имя Impedance Profile.
  • Type – используйте раскрывающийся список, чтобы выбрать тип импеданса. Доступны 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 платы, чтобы определить реалистичное значение допуска, которое он может обеспечить.
• Transmission Line
  • Trace inverted – включите этот параметр, чтобы инвертировать трассу, как показано в панели Properties. Этот параметр совпадает с параметром Copper Orientation, отображаемым, когда активна вкладка Stackup, и определяет направление, в котором медь ламинируется на сердечник. Ориентация меди задает направление, в котором медь выступает от этой подложки. Также это можно воспринимать как направление, с которого медь травится — сверху или снизу.
  • Etch – Etch Factor равен = T/[(W1-W2)/2], что уменьшает общую площадь поперечного сечения трассы на толщину меди в квадрате. Обратитесь к производителю платы за информацией о Etch, создаваемом его технологическими процессами.

• Width (W1) / (W2) – W1 — это ширина трассы, которую вы разводите, W2 — ширина верхней поверхности этой трассы после травления с учетом коэффициента Etch. Для ширины трассы доступна функция прямого/обратного расчета. По умолчанию ширина рассчитывается на основе введенного вами Target Impedance (прямой расчет). Эта ширина может оказаться значением, которое производитель не сможет обеспечить, например 5.978, и тогда ему потребуется 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 станет серой (неактивной), и вы перейдете в режим обратного расчета. Если вы нажмете кнопку, чтобы снова сделать ее активной, вы вернетесь в режим прямого расчета, и Width (W1) вернется к вычисленному значению. Эта функция позволяет исследовать реалистичные варианты ширины, пригодные для производства. При ручном вводе значения для W2 коэффициент травления будет обновлен соответствующим образом.
• Impedance – программное обеспечение рассчитывает импеданс на основе свойств материалов, используемых для изготовления платы (медь, core и prepreg), и площади поперечного сечения трассы (определяемой шириной, толщиной и коэффициентом травления трассы).
• Deviation – это мера различия между тем, что вы хотели получить (целевой импеданс), и тем, что получилось (расчетный импеданс). Программное обеспечение рассчитывает отклонение импеданса (то, что вы фактически получите на основе введенных материалов и размеров) на основе свойств материалов, используемых для изготовления платы (медь, core и prepreg), и площади поперечного сечения трассы (определяемой шириной, толщиной и коэффициентом травления трассы).
• Delay – это время, за которое сигнал проходит путь от передатчика до приемника.
• Inductance – калькулятор импеданса использует значение Impedance для расчета индуктивности на единицу длины.
• Capacitance – калькулятор импеданса использует значение Impedance для расчета емкости на единицу длины.

• Board
  • Stack Symmetry – включите, чтобы добавлять слои парными совпадающими парами, центрированными относительно среднего диэлектрического слоя. При включении этого параметра стек слоев немедленно проверяется на симметрию относительно центрального диэлектрического слоя. Если любая пара слоев, равноудаленных от центрального опорного диэлектрического слоя, не идентична, откроется диалоговое окно Stack is not symmetric dialog.
  • Library Compliance – при включении для каждого слоя, выбранного из Material Library, текущие свойства слоя проверяются по значениям определения этого материала в библиотеке.

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

• Stack Name – введите понятное имя подстека. Это поле полезно, когда область структуры слоев X/Y назначается подстеку слоев.
• Is Flex – включите, если подстек является гибким.
• Layers – общее количество слоев.
• Dielectrics – общее количество диэлектриков.
• Conductive Thickness – толщина проводящего(их) слоя(ев). Медные сигнальные слои называются проводящими слоями.
• Dielectric Thickness – толщина диэлектрического(их) слоя(ев).
• Total Thickness – общая толщина платы.

• Other
• Roughness – показывает шероховатость проводящих слоев.
  • Model Type – предпочтительная модель для расчета влияния шероховатости поверхности (дополнительную информацию о различных моделях см. в статьях ниже). Применяется ко всем медным слоям в стеке (возможно, это должен быть подстек?).
  • Surface Roughness – значение шероховатости поверхности (доступно у вашего производителя платы). Введите значение в диапазоне от 0 до 10 мкм, по умолчанию — 0,1 мкм
  • Roughness Factor – характеризует ожидаемое максимальное увеличение потерь в проводнике из-за эффекта шероховатости. Введите значение от 1 до 100; значение по умолчанию — 2.

Настройка правил проектирования

Импеданс трассировки определяется шириной и высотой проводника, а также 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 материала ширина может изменяться при смене слоя трассировки. Это требование, при котором ширина меняется при смене слоев трассировки, автоматически обрабатывается соответствующим правилом проектирования трассировки, настроенным в PCB Rules and Constraints Editor (Design » Rules).

Для большинства проектов плат определенный набор цепей трассируется с контролируемым импедансом. Обычный подход — создать класс цепей или класс дифференциальных пар, включающий эти цепи, а затем создать правило трассировки, нацеленное на этот класс, как показано на изображениях ниже.

Обычно вы вручную задаете Min, Max и Preferred Widths либо в верхних настройках ограничений, чтобы применить их ко всем слоям, либо отдельно для каждого слоя в таблице слоев. Для трассировки с контролируемым импедансом вместо этого включается параметр Use Impedance Profile, после чего в раскрывающемся списке выбирается требуемый профиль импеданса. После этого область Constraints правила изменится. Прежде всего вы заметите, что область доступных слоев больше не будет отображать все сигнальные слои платы. Теперь будут показаны только слои, включенные в выбранном профиле импеданса. Значения Preferred Width (и зазор дифференциальной пары) будут обновлены в соответствии с ширинами (и зазорами), рассчитанными для каждого слоя. Эти предпочтительные значения нельзя редактировать, но значения Min и Max можно. Задайте для них подходящие меньшие/большие значения. После этого цепи можно интерактивно трассировать обычным способом.

Правило проектирования ширины трассировки

Для одиночных цепей ширина трассировки определяется правилом проектирования Routing Width.

Когда вы выбираете Use an Impedance Profile, доступные слои и предпочтительные ширины определяются выбранным профилем.

Правило проектирования трассировки дифференциальных пар

Трассировка дифференциальных пар управляется правилом проектирования Differential Pair Routing.

Для дифференциальной пары доступные слои, предпочтительная ширина и предпочтительный зазор определяются выбранным профилем.

► Подробнее о Differential Pair Routing

Правило проектирования обратного пути

Разрывы или сужения в обратном пути можно обнаружить с помощью правила проектирования Return Path design rule. Правило Return Path проверяет наличие непрерывного пути возврата сигнала на назначенном(ых) опорном(ых) слое(ях) выше или ниже сигнала(ов), на которые нацелено правило. Обратный путь может быть сформирован заливками, областями и полигональными заливками, размещенными на опорном сигнальном слое или слое-плоскости.

Слои обратного пути — это опорные слои, определенные в Impedance Profile, выбранном в правиле проектирования Return Path. Эти слои проверяются, чтобы убедиться, что указанный Minimum Gap (ширина за пределами края сигнала) существует вдоль пути 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) задается параметром Minimum Gap.

На изображении ниже показаны ошибки обратного пути, обнаруженные для сигнала, NetXс настройкой Minimum Gap, равной 0.1mm. Ошибки Return Path бывает проще находить, если настроить DRC Violation Display Style так, чтобы отображались подробности нарушения, но не отображалось наложение нарушения ( показать изображение) в диалоговом окне Preferences. Это позволяет выделить точные места, где правило не выполнено, а не весь объект(ы), нарушающий правило. 

► Подробнее о High Speed Design in Altium Designer

Трассировка цепей с требуемым импедансом

По мере трассировки платы и смены слоев программа автоматически будет подстраивать ширину дорожки до размера, необходимого для достижения заданного импеданса. Такая интерактивная трассировка с контролируемым импедансом значительно упрощает проектирование PCB с контролируемым импедансом.

Подстройка длины трасс

Две основные задачи при трассировке высокоскоростного проекта — контроль импеданса трасс и согласование длин критически важных цепей. Трассировка с контролируемым импедансом гарантирует, что сигнал, выходящий с выходного контакта, будет корректно принят целевыми входными контактами. Согласование длин трасс гарантирует, что критичные по времени сигналы прибудут на свои целевые контакты одновременно. Подстройка и согласование длин трасс также являются важнейшей частью трассировки дифференциальных пар.

В трассировку были добавлены шаблоны-«гармошки», чтобы обеспечить согласование длин дифференциальных пар.

Команды Interactive Length Tuning и Interactive Diff Pair Length Tuning (меню Route) предоставляют динамический способ оптимизации и управления длинами цепей или дифференциальных пар, позволяя вставлять волнообразные шаблоны переменной амплитуды («гармошки») в соответствии с доступным пространством, правилами и препятствиями в вашем проекте.

► Подробнее о Length Tuning

Проверка целостности сигнала на разведенной плате

Так же, как вы проверяли цепи на этапе захвата схемы, используя предполагаемую длину трассировки и предполагаемый импеданс трассировки, после завершения трассировки следует повторить этот процесс на плате, чтобы проверить возможные несоответствия импеданса и проблемы с отражениями. Запустите команду Signal Integrity из меню Tools редактора PCB. Поскольку PCB является частью проекта, для расчета импедансов, используемых при 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, через который вы проходите для достижения правильных значений импеданса, существуют и другие факторы, влияющие на итоговый импеданс, который будет получен на изготовленной PCB. К ним относятся однородность и стабильность диэлектрического материала, используемого в PCB, а также стабильность и качество процесса травления. Если вам требуется PCB с контролируемым импедансом, следует обсудить это с изготовителем вашей платы. Некоторые производители могут дать рекомендации по геометрии дорожек, если вы предоставите им предпочтительный стек слоев. Многие также могут включить в каждую изготавливаемую панель тестовый купон импеданса — его можно использовать для измерения реальных значений импеданса, достигнутых на плате.

Дополнительные материалы и ресурсы

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

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