Прокладка управляемого импеданса

С увеличением скорости переключения устройств маршрутизация управляемого импеданса стала актуальной темой для разработчиков цифровых устройств. На этой странице рассказывается о том, как можно использовать механизм анализа целостности сигнала для согласования импедансов компонентов и возможности маршрутизации управляемых импедансов в редакторе печатных плат.

В инженерных кругах существует поговорка: есть только два типа инженеров-электронщиков, работающих в области цифрового проектирования: те, кто сталкивался с проблемами целостности сигнала, и те, кто будет сталкиваться. Не так много лет назад термин "целостность сигнала" был уделом специалистов, и с ним приходилось сталкиваться только в высокоскоростных проектах. Однако скорость переключения устройств в этих высокоскоростных конструкциях уже не является чем-то особенным, она быстро становится нормой. По мере совершенствования технологии интегральных схем размеры транзисторов уменьшаются, а скорость их переключения возрастает. Именно эта скорость переключения влияет на целостность цифровых сигналов.

К счастью, многих потенциальных проблем с целостностью сигналов можно избежать, если следовать принципам проектирования и реализовать конструкцию в виде платы с управляемым импедансом. Для достижения этой цели требуются специальные инструменты проектирования - вам нужны инструменты анализа, позволяющие обнаружить сети с потенциальными проблемами звона и отражения, а также инструменты проектирования платы, позволяющие достичь правильного импеданса маршрутизации. Редактор печатных плат в Altium Designer обладает такими возможностями.

Эта страница поможет вам понять, что вызывает проблемы с целостностью сигнала и может ли ваша плата пострадать от них. Здесь также будут рассмотрены два подхода к проектированию, которые необходимо использовать для минимизации потенциальных проблем с СИ - согласование импедансов компонентов и маршрутизация с контролируемым импедансом.

Когда маршрутизация становится частью схемы

С увеличением скорости переключения устройств возрастают и требования к разработчику и изготовителю печатных плат. Поскольку длина фронта сигнала переключения становится меньше длины трассы печатной платы, по которой он проходит, трасса должна рассматриваться как часть схемы. Эта трасса 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 - техника, называемая controlled impedance routing.

Импеданс трассы определяется:

• Cross-sectional area of the trace - определяемым шириной, высотой (толщиной меди) и наклоном краев трассы, созданных в процессе травления.
• Distance from the trace to the reference plane(s) - обратный путь энергии сигнала так же важен, как и сам сигнал. Этот обратный путь следует за путем сигнала в соседней опорной плоскости (плоскостях).
• Properties of the surrounding materials - энергия сигнала не ограничивается медью трассы; из-за скин-эффекта она также распространяется по диэлектрическому материалу, окружающему трассу. Проницаемость диэлектрического материала определяет, насколько сильно диэлектрик влияет на поток этой энергии.

Калькулятор импеданса Simbeor рассчитывает ширину (ширины), необходимую для достижения заданного импеданса.

Нужна ли мне маршрутизация с контролируемым импедансом?

Нужно ли мне беспокоиться о маршрутизации с контролируемым импедансом, спросите вы?

В идеальной ситуации вся энергия, поступающая с выходного контакта компонента, соединялась бы с подключенной дорожкой на печатной плате, проходила бы по маршруту печатной платы к входному контакту нагрузки на другом конце и поглощалась бы этой нагрузкой. Если вся энергия не поглощается нагрузкой, то оставшаяся энергия может отразиться обратно в маршрутизацию печатной платы, перетекая на выходной вывод источника. Эта отраженная энергия может взаимодействовать с исходным сигналом, добавляя и вычитая из него (в зависимости от полярности энергии), что приводит к звону. Если звон достаточно велик, он нарушает целостность сигнала, что приводит к непредсказуемому, ошибочному поведению схемы.

Как же узнать, может ли это произойти? Если вывод источника успевает завершить переход фронта сигнала до того, как сигнал достигнет вывода нагрузки, значит, существуют условия, при которых отраженная энергия может повлиять на вашу схему. Общепринятое эмпирическое правило, которое используется для определения вероятности возникновения проблем с СИ, - это правило "1/3 времени нарастания". Это правило гласит, что если длина трассы составляет более 1/3 времени нарастания, то могут возникнуть отражения (звон). Если исходный вывод имеет время нарастания 1 нСек, то трасса длиной более .33 нСек (примерно 2 дюйма в FR4) должна рассматриваться как линия передачи - кандидат на проблемы с целостностью сигнала. Если ваши устройства имеют такое время нарастания и вы знаете, что у вас будет маршрутизация такой длины, то в итоге на печатной плате могут возникнуть проблемы с целостностью сигнала.

Как управлять импедансом?

Как избежать ситуации, когда энергия отражается туда-сюда между источником и нагрузкой? Вы избегаете этого путем согласования импедансов. Согласование импедансов гарантирует, что вся энергия будет передана от источника к маршрутизации, а затем от маршрутизации к нагрузке. Маршрутизация платы с учетом импеданса называется маршрутизацией с контролируемым импедансом или, по-другому, плата, на которой импеданс регулируется, называется PCB с контролируемым импедансом.

Есть два отдельных элемента для достижения согласования импеданса: первый - согласование компонентов; второй - маршрутизация платы для получения требуемого импеданса.

Согласование импеданса компонентов

Вы не сможете получить печатную плату с контролируемым импедансом только с помощью маршрутизации. Сначала необходимо проверить и при необходимости согласовать импедансы компонентов.

В идеале нужно обнаружить сети, которые могут иметь потенциальные проблемы с целостностью сигнала, на этапе захвата проекта, чтобы включить дополнительные оконечные компоненты до начала процесса проектирования платы. Поскольку выходные контакты имеют низкий импеданс, а входные - высокий, скорее всего, для согласования импеданса потребуется добавить в схему оконечные компоненты.

Анализ целостности сигнала можно выполнить на этапе захвата схемы. При выполнении команды Tools » Signal Integrity команда Errors or Warnings часто появляется диалоговое окно, указывающее на то, что не для всех компонентов назначены модели целостности сигнала. Механизм анализа целостности сигнала автоматически выберет модели по умолчанию на основе обозначений компонентов, нажмите кнопку Continue чтобы использовать модели по умолчанию или Model Assignments чтобы просмотреть и изменить модели. Вы можете обратиться к Signal Integrity Model Assignments диалоговое окно в любое время с помощью кнопки Model Assignments кнопка на Signal Integrity панели.

Анализ проекта

После выполнения команды Tools » Signal Integrity выполняется команда, проект анализируется, и все потенциально проблемные сети выявляются на панели Signal Integrity панели, как показано ниже.

Проверка конструкции на наличие потенциальных проблем с целостностью сигнала во время захвата конструкции.

На панели можно выполнить анализ отражения для выбранной сети (или сетей). Слева отображаются результаты анализа для всех сеток в проекте. Выберите сетку и нажмите кнопку (или дважды щелкните имя сети), чтобы перенести эту сеть в поле Net поле в правой части панели, где можно выполнить подробный анализ этой сети, включая:

• Изучение выводов в этой сети, где можно одним щелчком мыши выполнить перекрестный зондирование этого вывода на схеме или двойным щелчком проверить и настроить модель, назначенную этому выводу.
• Включить один или несколько теоретических вариантов заделки для этой сети.
• Выполните анализ отражений в сети, получив набор осциллограмм, показывающих поведение каждого вывода в сети.

Панель позволяет экспериментировать с возможными конфигурациями и значениями заделки. Обратите внимание, что Termination область Signal Integrity панели, показанной на изображении выше, включена опция Serial Res включена опция. На участке панели ниже показан последовательный оконечный резистор. Здесь задаются минимальное и максимальное теоретические значения сопротивления последовательной заделки, которые будут использоваться для анализа отражения (отключите флажок Suggest флажок, чтобы ввести собственные значения).

Изучение результатов

При нажатии кнопки Reflection Waveforms нажимается кнопка , для данной сети выполняется точный анализ отражения, а результаты представляются в новом окне осциллограмм (*.SDF).

Окно волновой формы включает в себя:

• График для каждой анализируемой сети. Для переключения между графиками нажмите на вкладки в нижней части окна.
• Каждая диаграмма включает в себя график для каждого вывода в этой сети, показывающий поведение сигнала на этом выводе.

На изображениях ниже показаны два графика результатов на входном выводе сети, выбранной на предыдущем изображении панели. Первый график - это входной вывод сети без заделки; второй график показывает шесть разверток, одну для исходной сети без заделки, а затем пять разверток с теоретическим последовательным сопротивлением заделки, включенным на исходном выводе.

Было выполнено пять проходов анализа отражений (Sweep Steps значение опции = 5), при этом теоретический оконечный резистор изменялся от Min = 20 ом до Max = 60 ом. Пять проходов (первый проход при 20 Ом, последний проход при 60 Ом) перечислены в правой части графика. Щелчок по каждой метке выделяет этот результат и показывает теоретическое значение сопротивления заделки в правом нижнем углу. Для этой сети последовательное оконечное сопротивление 40 Ом даст график, показанный на изображении справа.

На графике слева показан анализ отражения сети с потенциальными проблемами целостности сигнала; на графике справа - та же сеть с добавленным теоретическим последовательным оконечным сопротивлением около 40 Ом.

Что определяет импеданс маршрутизации?

Вторая часть работы по созданию печатной платы с контролируемым импедансом заключается в прокладке маршрута таким образом, чтобы дорожки имели определенный импеданс. Существует ряд факторов, влияющих на импеданс маршрутизации сигналов, включая размеры маршрутов и свойства материалов, используемых для изготовления печатной платы.

Редактор печатных плат включает электромагнитный движок Simbeor® Signal Integrity от Simberian. Точность модели Simbeor проверяется с помощью передовых алгоритмов трехмерного полноволнового анализа, бенчмаркинга и экспериментальной проверки. 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 передовой квазистатический 2D-решатель поля, основанный на методе моментов, который был подтвержден сходимостью, сравнениями и измерениями. Решатель создает сетку на границах диэлектрика и проводника и решает соответствующие уравнения для построения 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 печатных плат из-за квази-ТЕМ природы распространяющихся там волн. Такие волны могут быть точно смоделированы с помощью параметров RLGC, полученных с помощью квазистатического 2D-решателя поля.

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

► Узнайте больше о технологии обеспечения целостности электромагнитного сигнала Simberian

Поддерживаемые структуры печатных плат

Импеданс может быть рассчитан для следующих структур печатных плат:

• Микрополосковая
• Симметричная полосковая линия
• Асимметричный страйплин
• Одиночные и дифференциальные копланарные структуры
• Несколько смежных диэлектрических слоев с различными диэлектрическими свойствами.

Конфигурирование печатной платы для маршрутизации с управляемым импедансом

Маршрутизация с управляемым импедансом - это настройка размеров маршрутов и свойств материалов платы для получения определенного импеданса. Это делается в редакторе печатных плат в разделе Layer Stack Manager. Чтобы открыть Layer Stack Manager, выберите Design » Layer Stack Manager в главном меню. Сайт Layer Stack Manager открывается в редакторе документов так же, как лист схемы, печатная плата и другие типы документов.

Ширина трассы, необходимая для обеспечения определенного импеданса, рассчитывается как часть профиля импеданса, настраиваемого на вкладке Impedance вкладка Layer Stack Manager.

На основе:

• Значения Target Impedance, Target Tolerance и Roughness которые вы настраиваете на Impedance вкладке, и
• настройки материалов, определенные на Stackup вкладке, включая:
  • толщину сигнального слоя,
  • толщина окружающих диэлектрических слоев (расстояния от опорной плоскости (плоскостей)), и
  • свойства диэлектрического материала (проницаемость Dk и коэффициент диэлектрических потерь Df).

При правильной настройке калькулятор импеданса имеет достаточно информации для расчета следующих параметров:

• Ширина трассы
• 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 (п.е.л.)

Рассчитанные значения отображаются в Transmission Line разделе панелиProperties , когда Impedance вкладке Layer Stack Manager, как показано ниже.

Профиль импеданса 50Ω, определенный для одиночных сетей, проложенных 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

Слои изготовления меди и диэлектрика настраиваются на вкладке Stackup на вкладке Layer Stack Manager.

• На этой вкладке добавляются, удаляются и настраиваются слои. Для жестко-гибкой конструкции слои также включаются и отключаются на этой вкладке.
• Свойства текущего выбранного слоя можно редактировать непосредственно в сетке или на Properties панели. Чтобы включить панель, нажмите кнопку в нижней части пространства проектирования, чтобы включить панель.
• Щелкните правой кнопкой мыши в сетке слоев или используйте Edit » Add Layer чтобы добавить слой. При добавлении медного слоя также добавляется диэлектрический слой, если существующий соседний слой также является медным.
• Если Stack Symmetry включена опция в разделе "Плата" на Properties панели, слои добавляются парами в соответствии с центром вокруг среднего диэлектрического слоя.
• Материал слоя можно ввести в ячейку выбранного материала или выбрать в диалоговом окне Select Material диалоговом окне; для его открытия нажмите кнопку с многоточием ().
• К слою меди можно добавить отделку поверхности. Для этого воспользуйтесь подменю Add Layer подменю, чтобы добавить Surface Finish слой к текущему выбранному слою меди, затем нажмите кнопку с многоточием для нового слоя отделки поверхности, чтобы выбрать тип отделки.
• Выбранный слой можно перемещать вверх или вниз в пределах слоев того же типа с помощью правой кнопки мыши или Edit меню.
• Область Board область Properties панели включает в себя опции для обеспечения Stack Symmetry и Library Compliance. Подробнее об этом ниже.
• Сайт Board область Properties панели отображается краткая информация о текущем выбранном стеке (или подстеке для многостековой жесткой/гибкой конструкции).

Рассмотрение стеков слоев

Фундаментальным требованием для управления импедансом является включение обратного пути сигнала под каждым сигнальным путем. Движок Simbeor SI поддерживает как плоские слои, так и сигнальные слои, покрытые полигоном. Эти слои обратного пути должны быть распределены по всему стеку платы. В идеале они располагаются таким образом, чтобы хотя бы один слой обратного пути примыкал к каждому сигнальному слою с маршрутизацией управляемого импеданса. Смежный слой обратного пути обеспечивает обратный путь сигнала и, по причинам, которые здесь рассматриваться не будут, делает это независимо от постоянного напряжения, распределенного по этой плоскости.

Ток обратного пути, протекающий через плоскость, будет пытаться следовать по тому же физическому пути, что и маршрут на сигнальном слое, поэтому важно избегать введения разрывов, таких как разделение или вырез в слое обратного пути под любой критической маршрутизацией сигнала.

Помимо выбора подходящего порядка расположения сигнальных и плоскостных слоев, необходимо также определить свойства материала каждого слоя, в том числе:

• Толщина меди
• Толщина диэлектрика
• Диэлектрическая проницаемость

Все эти значения, а также ширина маршрута вносят свой вклад в конечный импеданс. Достижение требуемого импеданса становится процессом настройки всех этих величин. Помните, что возможные значения толщины меди и диэлектрика также могут быть ограничены, что определяется материалами, доступными у изготовителя печатной платы.

► Узнайте больше о возможном расположении слоев

Определение профилей импеданса

Механизм Simbeor встроен в редактор печатных плат Layer Stack Manager (Design » Layer Stack Manager). Чтобы настроить стек слоев для маршрутизации с контролируемым импедансом, перейдите в меню Layer Stack Manager's Impedance на вкладку, где можно добавить и настроить профиль импеданса.

Профиль импеданса 50Ω, определенный для отдельных сетей, проложенных на верхнем слое. Наведите курсор на изображение, чтобы отобразить настройки того же профиля для слоя L3.

Примечания по созданию и настройке профиля импеданса:

1. В Layer Stack Manager переключитесь на Impedance как показано выше.
2. Нажмите кнопку кнопку (или кнопку если профиль уже определен), чтобы добавить новый профиль.
3. Определите требуемый импеданс Type, Target Impedanceи Target Tolerance в Properties панели. Адрес Description необязателен, он будет отображаться везде, где отображается имя профиля импеданса.
4. Сетка слоев разделена на 2 области: слева отображаются слои в штабеле, затем для каждого сигнального слоя в штабеле справа отображается слой в области Impedance Profile. Используйте флажок слоя в области профиля, чтобы включить расчет импеданса для этого слоя. Используя в качестве примера изображение выше и ссылаясь на номер слоя, показанный в крайнем левом столбце, слои L1, L3, L10 и L12 отмечены флажком, что позволяет использовать их для расчета импеданса.
5. При щелчке на включенном слое в области Profile все слои в стеке слоев исчезают, кроме тех, которые используются для расчета импеданса выбранного слоя сигнала (как показано на изображении выше). Отредактируйте опорный слой (слои) этого слоя в столбцах Top Ref и Bottom Ref области Impedance Profile . Обратите внимание, что опорный слой(и) может иметь слой Type либо Plane или Signal. Например, на изображении выше слой L10 в стеке включен для расчетов импеданса, а для параметра Top Ref установлен на 9-L9, который является Plane слой, а Bottom Ref установлен на 11-L11, который является Signal слой. Программа предполагает, что если в качестве опорной плоскости используется сигнальный слой, то он содержит непрерывную плоскость из меди, подключенную к сети питания или заземления.
6. Установите флажок Impedance Profile флажок для каждого другого слоя, который будет выполнять маршрутизацию при данном импедансе, и настройте опорную плоскость (плоскости). Наведите курсор на изображение выше, чтобы отобразить профиль импеданса S50 для слоя L3.
7. Если рассчитанная ширина трассы маршрутизации представляет собой значение, которое нельзя заказать, вы можете изменить параметры ширины и зазора.

Настройка параметров ширины и зазора

Программа рассчитывает ширину трассы на основе целевого импеданса и допуска. Нередко рассчитанная ширина трассы оказывается значением, которое невозможно заказать, например 0,0683 мм. Изготовитель сообщит, какие толщины материалов доступны и какой точности ширины трассы он может достичь. Затем нужно начать с желаемых значений и проверить влияние на рассчитанные значения импеданса при изменении размеров в соответствии с имеющимися.

Для поддержки этого процесса тестирования и настройки параметров калькуляторы импеданса поддерживают прямые и обратные расчеты импеданса. По умолчанию используется прямой режим (вводится импеданс, программа рассчитывает ширину). Значок указывает на вычисленную переменную.

Целевой импеданс 50Ω дает расчетную ширину в прямом направлении (W1) 94,6 мкм. На изображении справа показан обратный расчет, когда ширина (W1) установлена на 95 мкм.

Чтобы изменить расчет на противоположный и исследовать различные значения ширины трассы для выбранного слоя, введите новое значение Width (W1) и нажмите Enter на клавиатуре. Рассчитанные значения будут обновлены, чтобы отразить влияние изменения ширины. Нажмите кнопку чтобы вернуть калькулятор в режим прямого расчета. Ввод нового значения в поле Width (W2) изменит Etch значение.

Чтобы изучить результаты расчета дифференциальной пары линии передачи, укажите вычисляемую переменную - либо на кнопку Trace Width или Trace Gap - нажав соответствующую кнопку. Отредактируйте другую переменную, чтобы изменить Target Impedanceили, наоборот, измените Target Impedance чтобы изучить влияние на другую переменную.

Фактор травления

Сигнальные дорожки на печатной плате изготавливаются путем вытравливания ненужной меди. Поскольку травитель начинает травить медь с поверхности, эта медь проводит больше времени в контакте с травителем. В результате края готовой трассы будут иметь наклон, что уменьшит площадь поперечного сечения готовой трассы, как показано на рисунке ниже.

Площадь меди, потерянной (по обоим краям) во время травления = X * Y

Величина наклона называется коэффициентом травления, где:

Etch Factor = Y/X

Если Y = X, то Etch Factor = 1

Ссылаясь на изображение, показанное на Properties панели:

Наведите курсор на символ ?, чтобы показать формулу.

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

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

Недостатком этого подхода является то, что для указания отсутствия перетравливания (то есть вертикальных краев трассировки) необходимо ввести значение inf (бесконечное) для коэффициента травления. Чтобы упростить задание количества травления, формула была перевернута, поэтому для обозначения коэффициента травления можно ввести значение 0 (ноль), чтобы указать на отсутствие перетравливания.

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

Ориентация меди

Еще одной деталью изготовления, влияющей на коэффициент травления, является ориентация меди. Травление печатных плат происходит путем вытравливания ненужной меди из непрерывного листа меди, ламинированного на диэлектрическую подложку. Ориентация меди определяет направление, в котором медь отходит от подложки. Можно также считать, что медь вытравливается в направлении сверху или снизу.

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

Шероховатость поверхности проводников

Поверхность каждого медного слоя в печатной плате имеет определенную степень шероховатости. При изготовлении печатной платы поверхность медных слоев обрабатывается для увеличения шероховатости, чтобы улучшить адгезию между медными и диэлектрическими слоями. Эта шероховатость поверхности становится существенным фактором, влияющим на импеданс проводника при скоростях коммутации свыше 10 ГБ/с. Проведя обширные исследования и анализ, специалисты отрасли пришли к выводу, что шероховатость поверхности можно смоделировать с помощью поправочного коэффициента шероховатости, полученного из Surface Roughness и Roughness Factor значения.

Roughness настройки доступны в Layer Stack Manager режим 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 (более подробную информацию о различных моделях см. в статьях ниже). Применяется ко всем медным слоям в подложке.

• Surface Roughness - значение шероховатости поверхности (можно получить у изготовителя). Введите значение от 0 до 10 мкм, по умолчанию - 0,1 мкм

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

Дополнительное чтение

• Практическая методика анализа влияния шероховатости проводников на потери и дисперсию сигнала в межсоединениях: Ю. Шлепнев, К. Нвачукву, DesignCon2012.
• Унифицированный подход к моделированию шероховатости поверхности проводников межсоединений: Ю. Шлепнев, 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 Профиль импеданса Type из раскрывающегося списка.

Работа с копланарными структурами:

• Как и в случае со стандартными одиночными и дифференциальными импедансами, значения для 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 в Layer Stack Manager режим Properties панель.
• Чтобы нацелить сигнальные сети, которые необходимо маршрутизировать с помощью копланарной структуры, настройте правило проектирования Routing Width (или Differential Pairs Routing) с включенной опцией Use Impedance Profile и выбранным профилем копланарного импеданса.
• Копланарные структуры требуют наличия опорной плоскости с обеих сторон маршрута сигнала; она может быть создана с помощью размещаемого полигона или, если добавлены сшивающие проходы, с помощью команды Add Shielding to Net (более подробная информация приведена ниже). Если вы размещаете многоугольник, то расстояние между ним и сигнальной трассой определяется значением Clearance (S) значением, определяемым калькулятором импеданса Simbeor (отображается на панели Properties на панели, показанной на изображениях выше и ниже). Настройте правило проектирования Clearance для контроля расстояния между опорным полигоном и сигнальной трассой(см. изображение).
• Обычно при заземлении копланарной структуры вдоль каждой стороны сигнальной трассы ставится ограждение. Для этого используйте команду Tools » Via Stitching/Shielding » Add Shielding to Net в редакторе печатных плат. Помимо размещения виа, при включении опции Add shielding copper эта команда может также поместить многоугольник вокруг трассы сигнала, чтобы закрыть ограждение, как показано на изображении справа ниже.
  ► Узнайте больше об экранировании виа

Калькулятор импеданса определяет свойства сигнала и зазоры (первое изображение), используйте эти зазоры в настройке расстояния экранирования виа.

Выбор материала слоя

При проектировании с контролируемым импедансом очень важен выбор материалов, используемых в укладке слоев.

Например, наиболее распространенным материалом для изготовления печатных плат является эпоксидная смола, армированная стекловолокном (fiberglass), с медной фольгой, наклеенной на каждую сторону. Плотность переплетения стекловолокна влияет на величину и постоянство диэлектрической проницаемости Dk (permittivity) и тангенса угла потерь Df. Вокруг плетеной стеклоткани находится смола - процентное содержание смолы также играет важную роль в характеристиках материала.

Существует большой ассортимент плетеных стекловолокон. Для обеспечения предсказуемости и производительности материалов на основе стекловолокна, используемых при изготовлении печатных плат, IPC разработала стандарт на плетение:

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

Библиотека материалов

Как дизайнер, вы можете либо редактировать свойства материалов непосредственно в панели Layer Stack Manager или выбрать материалы из Altium Material Library.

Всю библиотеку можно просмотреть (и добавить в нее) в диалоговом окне Библиотека материалов Altium (Tools » Material Library).

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

Добавление, сохранение и загрузка материала

Новый материал можно добавить в библиотеку, когда в дереве выбрана определенная категория материалов. Можно загрузить материалы, определенные во внешней библиотеке материалов (Load кнопка ), а материалы, определенные пользователем, которые были добавлены в Altium Material Library можно также сохранить в библиотеке пользователя (Save кнопка). Сохраняется только материал, определенный пользователем.

Добавление пользовательских свойств к материалу

Пользовательские свойства могут быть добавлены к материалам, подробно описанным в библиотеке (материал по умолчанию и материал, определенный пользователем). Чтобы добавить пользовательское свойство, сначала выберите нужный узел в дереве слева, чтобы определить материал(ы), к которому оно должно быть добавлено, затем нажмите кнопку чтобы открыть Material Library Settings диалог.

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

Панель свойств

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

• Impedance Profile
  • Description - Введите содержательное описание. Это поле является необязательным и будет отображаться везде, где отображается имя профиля импеданса.
  • Type - Используйте выпадающий список для выбора типа импеданса. Можно выбрать следующие варианты Single, Differential, Single-Coplanar, и Differential-Coplanar.

• Target Impedance - введите импеданс, которого вы хотите добиться.
• Target Tolerance - введите допуск, которого вы хотите достичь. Вам следует проконсультироваться с изготовителем, чтобы найти реалистичное значение допуска, которое изготовитель сможет обеспечить.
• Transmission Line
  • Trace inverted - Включите эту опцию, чтобы инвертировать трассу, как показано на Properties панели. Этот параметр аналогичен параметру Copper Orientation опция, отображаемая при Stackup и определяет направление, в котором медь ламинируется на сердечник. Ориентация меди определяет направление, в котором медь отходит от подложки. Можно также считать, что медь вытравливается в направлении сверху или снизу.
  • Etch - Коэффициент травления = T/[(W1-W2)/2]что уменьшает общую площадь поперечного сечения трассы на толщину меди в квадрате. Обратитесь к изготовителю платы за информацией о Etch создаваемых их технологическими процессами.

• Width (W1) / (W2) - W1 - ширина трассы, которую вы прокладываете, W2 - ширина верхней поверхности этой трассы после ее травления с учетом коэффициента Etch с учетом коэффициента. Для ширины трассы доступна функция прямого/обратного расчета. По умолчанию ширина рассчитывается на основе Target Impedance введенного вами значения (прямой расчет). Эта ширина может быть значением, которое изготовитель не может обеспечить, например 5,978, и ему нужно более разумное значение, например 6,0. Вы можете ввести 6,0 в поле Width поле и нажать Enter на клавиатуре, чтобы пересчитать рассчитанные значения (Impedance, Deviation, и т. д.). Кнопка станет серой (неактивной), и вы перейдете в режим обратного расчета. Если вы щелкните по кнопке, чтобы сделать ее активной, вы снова окажетесь в прямом режиме, и значение Width (W1) вернется к рассчитанному значению. Эта функция позволяет исследовать реалистичные варианты ширины, которую можно изготовить. При ручном вводе значения W2 коэффициент травления будет обновлен в соответствии с ним.
• Impedance - Программа рассчитывает импеданс на основе свойств материалов, из которых изготовлена плата (меди, сердечника и препрега), и площади поперечного сечения трассы (определяемой шириной, толщиной и коэффициентом травления трассы).
• Deviation - Это показатель разницы между желаемым (целевой импеданс) и полученным (расчетный импеданс). Программа рассчитывает отклонение импеданса (то, что вы получите на самом деле, исходя из введенного материала и размеров) на основе свойств материалов, используемых для изготовления платы (меди, сердечника и препрега), и площади поперечного сечения трассы (определяемой шириной, толщиной и коэффициентом травления трассы).
• Delay - это время, необходимое для прохождения сигнала от отправителя до получателя.
• Inductance - Калькулятор импеданса использует это Impedance значение для расчета индуктивности на единицу длины.
• Capacitance - калькулятор импеданса использует значение Impedance значение для расчета емкости на единицу длины.

• Board
  • Stack Symmetry - включить добавление слоев в согласующие пары, расположенные по центру вокруг среднего диэлектрического слоя. Если эта функция включена, стек слоев немедленно проверяется на симметрию вокруг центрального диэлектрического слоя. Если любая пара слоев, равноудаленных от центрального опорного слоя диэлектрика, не идентична, открывается диалоговое окно "Стек не симметричен".
  • Library Compliance - Когда эта функция включена, для каждого слоя, выбранного из библиотеки материалов, текущие свойства слоя сверяются со значениями определения этого материала в библиотеке.

• Substack - Эта информация относится к выбранному в данный момент субстеку (слои, диэлектрики, толщины и т. д.). При переключении с одного подстека на другой эта информация будет обновляться соответствующим образом (для выбранного в данный момент подстека).

• Stack Name - Введите значимое имя подстека. Это поле полезно, когда область суммирования X/Y назначается подстеку слоя.
• Is Flex - Включить, если подстек является гибким.
• Layers - общее количество слоев.
• Dielectrics - общее количество диэлектриков.
• Conductive Thickness - толщина проводящего слоя (слоев). Медные сигнальные слои называются проводящими слоями.
• Dielectric Thickness - толщина диэлектрического слоя (слоев).
• Total Thickness - общая толщина платы.

• Other
• Roughness - показывает шероховатость проводящих слоев.
  • Model Type - предпочтительная модель для расчета влияния шероховатости поверхности (более подробную информацию о различных моделях см. в статьях ниже). Применяется ко всем медным слоям в стеке (должен ли это быть субстек?).
  • Surface Roughness - Значение шероховатости поверхности (можно получить у изготовителя). Введите значение от 0 до 10 мкм, по умолчанию - 0,1 мкм
  • Roughness Factor - характеризует ожидаемое максимальное увеличение потерь в проводниках из-за эффекта шероховатости. Введите значение от 1 до 100; по умолчанию - 2.

Настройка правил проектирования

Импеданс маршрутизации определяется шириной и высотой маршрута и свойствами окружающих диэлектрических материалов. На основе свойств материалов, определенных в разделе Layer Stack Managerпри создании каждого профиля импеданса рассчитывается необходимая ширина трассы. В зависимости от свойств материала ширина может меняться при изменении слоя маршрутизации. Это требование изменения ширины при смене слоев маршрутизации автоматически регулируется соответствующим правилом проектирования маршрутизации, настроенным в редакторе правил и ограничений печатной платы (Design » Rules).

В большинстве проектов плат определенный набор сеток должен быть проложен с контролируемым импедансом. Обычный подход заключается в создании класса сетей или класса дифференциальных пар, включающих эти сети, а затем создании правила маршрутизации, нацеленного на этот класс, как показано на рисунках ниже.

Обычно вручную определяют Min, Max, и Preferred Widths, либо в настройках верхних ограничений, чтобы применить их ко всем слоям, либо отдельно для каждого слоя в сетке слоев. Для маршрутизации с контролируемым импедансом вместо этого включается опция Use Impedance Profile а затем выберите нужный профиль импеданса из выпадающего списка. После этого Constraints область правила изменится. Первое, что вы заметите, это то, что область доступных слоев больше не будет показывать все сигнальные слои на плате. Теперь в ней будут отображаться только слои, включенные в выбранный профиль импеданса. Значения Preferred Width (и зазор между парами) будут обновлены, чтобы отразить ширину (и зазоры), рассчитанные для каждого слоя. Эти предпочтительные значения нельзя редактировать, но можно изменить значения Min и Max можно. Установите их на подходящие меньшие/большие значения. Затем сетки можно интерактивно маршрутизировать обычным способом.

Правило проектирования ширины маршрута

Для односторонних сеток ширина маршрутизации определяется правилом проектирования Routing Width.

Если выбран профиль импеданса, доступные слои и предпочтительная ширина определяются выбранным профилем.

Правило проектирования маршрутизации дифференциальных пар

Маршрутизация дифференциальных пар контролируется правилом проектирования Differential Pair Routing.

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

► Подробнее о маршрутизации дифференциальных пар

Правило проектирования обратного пути

Разрывы или горловины в обратном тракте можно обнаружить с помощью правила проектирования обратного тракта. Правило проектирования Return Path проверяет наличие непрерывного пути возврата сигнала на указанном опорном слое (слоях) выше или ниже сигнала (сигналов), на который направлено правило. Обратный путь может быть создан из заливок, областей и полигональных заливок, размещенных на опорном сигнальном слое или плоском слое.

Слои обратного пути - это опорные слои, определенные в Impedance Profile выбранные в Return Path правиле проектирования. Эти слои проверяются на наличие указанной Minimum Gap (ширина за краем сигнала) на пути сигнала. Добавьте новое Return Path правило проектирования в High Speed категории правил.

Слои обратного пути определяются в выбранных Impedance Profile, а ширина тракта (за границей сигнала) определяется параметром Minimum Gap.

На изображении ниже показаны ошибки обратного пути, обнаруженные для сигнала, NetXпри Minimum Gap настройка 0.1mm. Обнаружить ошибки обратного пути можно проще, если настроить DRC Violation Display Style чтобы в диалоговом окнеPreferences отображалась подробная информация о нарушении, но не накладка нарушения ( показать изображение). При этом выделяются именно те места, где правило не сработало, а не весь объект(ы), в котором произошло нарушение.

► Узнайте больше о высокоскоростном проектировании в Altium Designer

Маршрутизация сетей с требуемым импедансом

По мере маршрутизации платы и смены слоев программа будет автоматически регулировать ширину дорожек до размера, необходимого для достижения заданного импеданса. Такая интерактивная маршрутизация с контролируемым импедансом значительно упрощает задачу проектирования печатной платы с контролируемым импедансом.

Настройка длины маршрутов

Две основные проблемы маршрутизации высокоскоростных конструкций - это контроль импеданса маршрутов и согласование длин критических сетей. Маршрутизация с контролем импеданса гарантирует, что сигнал, выходящий из выходного контакта, будет правильно принят целевыми входными контактами. Согласование длин маршрутов гарантирует, что критически важные по времени сигналы придут на целевые выводы в одно и то же время. Настройка и согласование длин маршрутов также является важным компонентом маршрутизации дифференциальных пар.

Чтобы обеспечить соответствие длин дифференциальных пар, в маршрутизацию были добавлены аккордеонные шаблоны.

На сайте Interactive Length Tuning и Interactive Diff Pair Length Tuning команды (Route меню) обеспечивают динамическое средство оптимизации и контроля длины сеток или дифференциальных пар, позволяя вставлять волновые шаблоны переменной амплитуды (аккордеоны) в соответствии с имеющимся пространством, правилами и препятствиями в вашей конструкции.

► Узнайте больше о настройке длины

Проверка целостности сигнала на плате

Точно так же, как вы тестировали сети во время захвата проекта, используя предполагаемую длину и импеданс маршрутизации, после завершения маршрутизации следует повторить этот процесс на плате, чтобы проверить потенциальные несоответствия импеданса и проблемы отражения. Запустите команду Signal Integrity из меню редактора печатных плат Tools меню. Поскольку печатная плата является частью проекта, свойства материала и размеры, заданные в команде Layer Stack Manager а также фактическая ширина трасс на плате будут использоваться для расчета импедансов, применяемых при тестировании целостности сигнала.

Достижение заданных импедансов

Помимо итеративного процесса настройки размеров, который вы проходите для достижения правильных импедансов, существуют и другие факторы, влияющие на конечный импеданс, который будет получен на изготовленной вами печатной плате. К ним относятся постоянство и стабильность диэлектрического материала, используемого в печатной плате, а также постоянство и качество процесса травления. Если вам нужна печатная плата с контролируемым импедансом, вам следует обсудить это с изготовителем печатной платы. Некоторые изготовители могут дать рекомендации по геометрии дорожек, если вы предоставите им предпочтительный набор компонентов. Многие из них также могут включить тестовый купон импеданса в каждую панель, которую они изготавливают, - его можно использовать для измерения реального импеданса, достигаемого на плате.

Дополнительное чтение и ресурсы

В этой статье дано введение в тему целостности сигналов и проектирования печатных плат с контролируемым импедансом. Используйте следующие ссылки, чтобы узнать больше и получить доступ к ресурсам, разработанным признанными экспертами отрасли.

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