Андрей Трундов - Высокоскоростные печатные платы. Сохранение целостности электрических сигналов и электропитания

– цифровой сигнал,

– пассивные элементы и типовые звенья на их основе,

– линия передачи,

– волновое сопротивление линии передачи,

– однородность линии передачи,

– виды и причины неоднородностей линии передачи,

– методы согласования сопротивлений,

– собственная частота резонанса линии передачи,

– скорость распространения электромагнитной волны

в различных средах и типах линий передачи,

– матрица конденсаторов для снижения уровня шумов, "дребезга земли" и "эффекта хлопающих крыльев" в системе электропитания печатной платы.

Вы узнаете почему «нельзя» и в каких случаях «можно»:

– использовать длинные проводники,

– трассировать соседние проводники близко друг к другу

– располагать сигнальные проводники близко

к проводникам или полигонам земли и питания,

– изменять ширину проводника по ходу трассы,

– допускать разрывы полигона земли (опорного слоя)

под сигнальными проводниками или линиями передачи,

– допускать изгибы проводников,

– допускать создание «контуров» и «петель»,

– допускать установку переходных отверстий,

– допускать ветвление проводников.

Вы научитесь:

– применять методы согласования сопротивлений,

– организовывать однородные линии передачи,

– организовывать стек печатной платы,

– организовывать классы цепей,

– разрабатывать правила для отдельных классов цепей,

– оптимально размещать элементы на плате,

– применять электрическое и магнитное экранирование,

– применять методы улучшения электромагнитной совместимости разрабатываемых устройств,

– оценивать необходимость выравнивания проводников в шинах и дифференциальных парах,

– устанавливать «матрицы конденсаторов»,

– снижать плотности токов в проводниках и полигонах питания,

– обеспечивать низкий и равномерный импеданс цепей питания в требуемом диапазоне частот.

При разработке высокоскоростных печатных плат в них вместо обычных проводников должны быть организованы линии передачи.

Линия передачи – это конструкция, состоящая из сигнального проводника, опорного слоя и диэлектрика между ними.

Данная конструкция напоминает обычный конденсатор, способный накапливать между своими обкладками электрическую энергию. Поэтому внутри линии передачи сосредоточено переменное электрическое поле. Вокруг нее создается магнитное поле, порождающее электрическое поле с последующим формированием электромагнитной волны.

Если линия передачи однородна и геометрия сечения в любой ее точке не меняется на всем протяжении, частотные и энергетические характеристики исходного сигнала при прохождении через линию остаются неизменны. Энергия сигнала почти полностью переходит из источника в приемник. Из-за потерь в диэлектрике возможно лишь некоторое снижение амплитуды сигнала, зависимое от длины линии. При этом сигнал не теряет первоначальных и не приобретает новых характеристик, что и является идеальной картиной сохранения его целостности.

Если линия передачи неоднородна, часть энергии сигнала, отраженная от неоднородности, может наложиться на падающую (от источника) волну, что приведет к формированию колебательного процесса с частотой собственного резонанса, определяемой длиной сегмента, расположенного между двумя соседними неоднородностями. В результате возникнут потери на излучение, поскольку порция энергии будет излучаться участком линии передачи как антенной.

Кроме потерь в диэлектрике и скин слое сигнального проводника, потерь на излучение в сегментах линии передачи, причиной искажения его формы и нарушения его целостности могут быть воздействия внешних помех, наводок от соседних линий и неправильная организация системы электропитания, которая может стать причиной повышенных шумов и увеличения суммарного джиттера.

Вокруг неподвижного электрического заряда создается неподвижное электрическое или электростатическое поле. Если попытаться изобразить электрическое поле заряженного шара, будет нечто, похожее на колючего морского ежа. Острия стрелок будут направлены от шара, что будет показывать, что в шаре сосредоточен электрический заряд и его потенциал выше потенциала окружающего пространства. Если заряд отрицательный, то стрелки из окружающего пространства условно можно изобразить остриями, входящими внутрь изображенного шара. Электрическое поле, как и электрический ток, всегда распространяется в сторону наименьшего потенциала или в сторону меньшей напряженности поля.

Рис. 1 Электрическое поле вокруг заряженного шара, проводника с током и между обкладками заряженного конденсатора

Емкостная связь, показанная на рисунке, является одной из важнейших иллюстраций взаимодействия между соседними линиями передачи через электрическое поле.

Энергию электрического поля характеризуют векторы напряженности E. Их число или «плотность» на единицу площади или объема определяют амплитуду напряженности, а направление показывает «рельеф» электрического поля.

Вокруг проводника с электрическим током возникает магнитное поле, которое можно представить в виде окружностей силовых линий. Направление «вращения» силовых линий магнитного поля определяется по правилу «правой руки».

Если изобразить руку, которая обхватила провод, и представить, что большой палец показывает направление тока, другие пальцы покажут направление «закручивания» силовых линий.

Рис. 2 Правило правой руки для определения направления силовых линий магнитного поля

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B, направленный по касательной к силовым линиям магнитного поля или вектор напряженности магнитного поля H, направление которого в вакууме совпадает с направлением вектора B.

Набор одинаково направленных векторов магнитной индукции, распределенный по некоторой области пространства, называется магнитным потоком Ф. Магнитные потоки различных полей могут взаимодействовать между собой в соответствии с их направлением.

Индуктивная связь является второй из важнейших иллюстраций взаимодействия между соседними линиями передачи через магнитное поле.

Как и линии напряженности электрического поля, линии напряженности магнитного поля, их число на единицу объема, показывают величину и рельеф магнитного поля.