.Проектирование устройств и систем с высокоскоростными соединениями

3.2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ СИГНАЛОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ УСТРОЙСТВ

С ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ ВВОДОМ-ВЫВОДОМ

Целостность сигнала – это совокупность таких свойств, как повторяемость и предсказуемость, которые поддерживаются сохранением формы и чистоты сигнала, а также исключением влияния сигналов друг на друга (перекрестные помехи) и самомодификации (отражение сигналов). Целостность сигнала обеспечивают правильный импеданс (полное сопротивление), правильное питание и правильное экранирование.

3.2.1. Импеданс, питание и экранирование

Первый шаг к целостности сигналов – это его транспортировка по дифференциальной линии передачи. По определению линия передачи имеет постоянный импеданс. В действительности импеданс является переменным. Проблемы возникают при прохождении сигнала по разным слоям печатной платы, контактным площадкам микросхем, кабелям и соединителям. Любое увеличение импеданса при работе на мультигигабитных скоростях вызывает проблемы. Поэтому мультигигабитные соединения требуют импеданс независимых путей прохождения сигнала.

Перед макетированием с помощью системы автоматизации проектирования необходимо выполнить моделирование путей прохождения сигналов, кабелей и соединителей. Затем после получения первого прототипа импеданс путей прохождения сигналов должен быть измерен с помощью рефлектометра, использующего метод наблюдения за формой отраженного сигнала (рис. 3.17). Наиболее часто используются линии передачи со значением импеданса 100 и 50 Ом. Для линий уровня 10 Гбит/с определено значение в 50 Ом. Если допускается и 100 и 50 Ом, то становится проблематичным выбор кабелей и соединителей.

Большинство высокоскоростных трансиверов имеют несколько выводов питания:

–питание аналоговой части приемника (AVRX);

–питание аналоговой части передатчика (AVTX);

–аналоговая земля (AGND);

81

–напряжение питания терминальных резисторов приемни-

ка (VTR);

–напряжение питания терминальных резисторов передат-

чика (VTT);

–питание цифровой части (VSS или VCC);

–цифровая земля (VDD или GND).

Рис. 3.17. Экран TDR

На рис. 3.18 приведен пример выводов микросхемы с фильтрами по питанию ее аналоговой части: «ферритовые бусинки» (ферритовые катушки индуктивности) и блокировочные (bypass) конденсаторы обеспечивают «чистоту» питающих линий.

Рис. 3.18. Фильтры по питанию высокоскоростного трансивера

82

Ферритовая бусинка имеет низкий импеданс на низкой частоте и высокий импеданс – на высокой частоте (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Эквивалентная схема (а) и частотная характеристика ферритовой бусинки (б): R – действительная часть (резистивная), X – мнимая часть (индуктивная), Z – импеданс

Значения параметров бусинки и конденсатора очень важны. Поэтому производители высокоскоростных микросхем выпускают рекомендации для их выбора. В некоторых микросхемах, упакованных по технологии перевернутого кристалла, конденсаторы включаются внутрь корпуса, что требуетподключения только бусинки.

В случае цифровых микросхем на протяжении многих лет использовалось параллельное подключение к их источнику питания небольшого числа конденсаторов, шунтирующих высокочастотные помехи. Однако для плат с высокоскоростными сигналами это перестает работать, такт не существует идеального конденсатора, обладающего только емкостью. На рис. 3.20 приведена эквивалентная схема реального конденсатора, где ESR

иESL – эффективные последовательные активное сопротивление

ииндуктивность. Также не может быть идеальной разводки, идеальной упаковки и т.д.

.

Рис. 3.20. Эквивалентная схема конденсатора

83

С увеличением частоты начинают сказываться ESR и ESL, что приводит при неправильном выборе параметров конденсаторов к частотной характеристике с выбросами в нескольких точ-

ках (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Частотная характеристика импеданса фильтра питания цифровых компонент печатной платы при неправильном выборе конденсаторов

Другой важный аспект блокировки помех по питанию – места размещения конденсаторов. Они располагаются как можно ближе к выводам питания и земли микросхем.

Все высокоскоростные сигналы необходимо изолировать друг от друга для предотвращения взаимовлияния, где бы они ни передавались по плате, через кабель или соединитель. На плате высокоскоростные сигналы изолируются друг от друга дополнительными слоями земли или питания.

3.2.2. Проектирование плат, соединителей и кабелей

Важными задачами проектирования систем с высокоскоростными соединениями являются проектирование печатных плат, выбор кабелей и соединителей. Неправильно выбранные соединители или материал для печатной платы могут привести к нереализуемости проекта с высокоскоростными соединениями.

3.2.2.1. Проектирование печатных плат

Проектирование печатной платы с высокоскоростными соединениями является непростой задачей даже для лучших разработчиков. Дифференциальные дорожки должны быть согласова-

84

ны, геометрия управляемого импеданса дифференциальных пар должна быть скорректирована добавлением слоев, также должна быть продумана разводка питания. Существует множество компромиссных решений, в принятии которых может помочь следующий список вопросов. На рис. 3.22 приведена структура слоев (stackup) 6-слойной печатной платы (а) и переходные отверстия (б): сквозное отверстие соединяет слои L1 и L4, втулка слоя L3 не функционирует; скрытое отверстие соединяет слои L3 и L4; глухое отверстие соединяет слои L1 и L2.

Рис. 3.22. Структура многослойной печатной платы

Выбор материала. Стеклотекстолит FR-4 класса огнестойкости 94V-0 является наиболее распространенным материалом для производства печатных плат. Общими рекомендациями для применения FR-4 являются длина печатного проводника меньше 50 см (20 дюймов) и скорость на уровне или ниже 3,125 Гбит/с. Если требуются более длинные печатные проводники или большая скорость, то необходимо использовать такой материал, как углеводородный стеклопластик с термореактивным керамиче-

ским покрытием ROGERS 4000 (RO4000).

Наложение слоев/толщина платы. Следующий шаг по-

сле выбора материала платы – разработка плана слоев. Надо помнить о необходимости дополнительных слоев питания и земли для блокировки помех.

85

Слои питания и земли. Необходимо распределить все специальные напряжения питания для аналоговых цепей. Для каждого номинала питания свой слой. Изолирующие и фильтрующие земляные слои становятся опорными для высокоскоростных сигналов, а слои питания цифровой части должны быть отдалены от областей с сигналами, скорость которых меньше 1 Гбит.

Дифференциальные пары. Необходимо так разводить дифференциальные пары проводников, чтобы они были сильно связанными и одинаковыми. Длины их печатных проводников должны совпадать. В случае стеклотекстолита FR-4 разница 2,5 мм в длине печатных проводников приводит приблизительно к 18-пи- косекундной разнице между сигналами пары. Этого достаточно для возникновения проблем. Разница в 2,5 мм кажется большой, но если использовать обычную трассировку от микросхемы

вкорпусе BGA к другим микросхемам, можно получить разницу

в3–4 раз больше. В процессе разводки необходимо сравнивать длины печатных проводников с целью получения разницы не более 1,25 мм.

Ширина дифференциальных дорожек и расстояние ме-

жду ними. Эти параметры должны быть рассчитаны для каждого конкретного слоя с помощью анализатора двумерных полей из состава системы автоматизированного проектировании. Можно использовать простую методику, согласно которой выбирается та или иная геометрия, а на производстве печатных плат выполняется подгонка импеданса травлением («перетравление» или «недотравление»). Для высокоскоростных сигналов это не сработает. На рис. 3.23 и 3.24 приведены образцы геометрии дорожек печатной плат.

Рис. 3.23. Образец геометрии микрополосковой линии дифференциальной пары с краевой связью

86

Рис. 3.24. Образец геометрии полосковой линии дифференциальной пары с краевой связью

Переходные отверстия. Если есть возможность, то следует избегать переходов между слоями для печатных проводников дифференциальных пар. В противном случае необходимо обеспечить целостность пути возвратного тока. Для этого потребуется соединить уровневые плоскости A и B. В идеале обе плоскости должны быть земляными. В этом случае возвратный путь создается с помощью переходного отверстия, связывающего плоскости в непосредственной близости (рис. 3.25).

Если уровневые плоскости различны (одна земля, а другая питание), то необходимо установить конденсатор 0.01 μF между двумя плоскостями как можно ближе к переходному отверстию

(рис. 3.26).

Рис. 3.25. Переходные отверстия с плоскостями земли

87

Рис. 3.26. Переходные отверстия с плоскостями земли и питания

Другая проблема, связанная с переходными отверстиями, – это то, что они представляют собой ответвления (рис. 3.27). Это плохо сказывается на линии передачи.

Рис. 3.27. Линия передачи с ответвлениями

Представим отверстие, передающее сигнал из внутреннего слоя на верхний слой. Отверстие проходит также через нижний слой, и неиспользуемая часть отверстия представляет ответвление. После сборки слоев печатной платы удаление ответвления (участка металлизации отверстия) выполняется так называемым обратным сверлением (рис. 3.28).

Расстояние между парами. Важно обеспечить достаточное расстояние между дифференциальными парами, передающими высокоскоростные сигналы. Одно из главных правил: расстояние между соседними парами должно быть не менее чем в пять раз больше расстояние между линиями пары (рис. 3.29).

Рис. 3.28. Обратное сверление

88

Рис. 3.29. Расстояние между соседними парами

Защитная земля между дифференциальными парами.

Экранирование дифференциальных пар улучшается за счет связывания защитной плоскости с уровневой плоскостью с использованием переходных отверстий (рис. 3.30).

Рис. 3.30. Защитная земля между дифференциальными парами

Разводка питания. Это обсуждалось ранее в подразд. 3.2.1. На рис. 3.31 показаны ферритовые бусинки для поверхностного монтажа и на печатной плате, на рис. 3.32 – фрагмент печатной платы с блокирующими конденсаторами.

Рис. 3.31. Ферритовые бусинки и их положение на печатной плате

Рис. 3.32. Блокирующие конденсаторы по питанию СБИС

89

Рис. 3.33. Пример рекомендаций по установке фильтров питания

На рис. 3.33 приведен пример рекомендаций по установке фильтров питания для FPGA Xilinx Virtex4@FX FF1152 с высо-

коскоростными интерфейсами SERDES.

3.2.2.2. Выбор соединителей

На печатной плате с мультигигабитными сигналами должны быть использованы только высокоскоростные соединители. Как все, что встречается на пути мультигигабитных сигналов, так и соединители должны иметь контролируемый импеданс. Хотя импеданс соединителя не является постоянным, как в случае печатных проводников, высокоскоростные соединители намного лучше обычных (рис. 3.34).

Рис. 3.34. Объединительная плата с высокой плотностью размещения соединителей 10 Гбит/с системы по медным проводникам

Первые высокоскоростные соединители были спроектированы как для несимметричных, так и для дифференциальных сигналов. Последние высокоскоростные соединители разраба-

90