3.2. Лабораторная работа № 2. Исследование целостности сигналов на печатной плате с использованием инструмента SI-TD, SI-FD

для цифровых устройств

Цель работы: исследование влияния расположения дорожек на печатных платах, характеристик пассивных компонентов (RLC) и входных контактов элемента на характеристики цифрового сигнала.

1. Краткие теоретические сведения

Для любого цифрового устройства важна не только скорость срабатывания устройства, но и целостность сигнала, который придет на вход устройства. Очень часто микросхемы, контроллеры соединяют не на прямую, а через конденсаторы и резисторы, что позволяет ограничить ток, который протекает по схеме, отфильтровать помехи. Поэтому очень важно обеспечить сохранность картины сигналов, но для цифровых устройств, по сравнению с аналоговыми, задача упрощается, так как не требуется сберечь форму сигнала, важно обеспечить лишь высокий/низкий уровни.

Для каждого цифрового устройства уровни срабатывания указываются в сопроводительной документации (даташитах), в которых как правило указываются важные параметры и характеристики сигналов.

Процесс моделирования целостности сигналов для цифровых устройств значительно упростился, когда большинство крупных производителей приняли единый формат зашифрованной информации о I/O устройствах – IBIS файлы. Некоторые производители предоставляют разработчикам данные файлы (Texas Instruments, Analog Devices), некоторые только по заказу (Intel, AMD).

IBIS - Input/Output Buffer Information Specification – специализированный формат файла, в котором хранится информация о допусках уровней напряжений, паразитных характеристиках входных ножек компонента, таких, как индуктивность или емкость, сопротивление, к которым, в процессе моделирования, прибавляются потери, которые вызывают дорожки на PCB. Процесс подготовки к выполнению SI-TD и SI-FD (целостность сигналов (Signal Integrity)) для обывателя является достаточно простым процессом, требуется разработать печатную плату, определить пассивные компоненты, найти IBIS модель цифрового устройства. Для компаний-изготовителей цифровых устройств этот процесс является намного более сложным и затруднительным, так как для создания IBIS файла требуется изготовить и измерить около 1000 SoC, при этом свести к минимуму нестабильности заземления и питания, а также не допустить раскрытия коммерческой тайны (по этой причине большое количество современной микроэлектроники не имеют SPICE моделей, а имеют только IBIS). Пример просмотра IBIS файла в IBIS Editor приведен на рис. 80.

56

Как видно из рис. 80, у данного компонента (SN74HCS11-Q1) име-

где j – мнимая единица;

f – частота работы, Гц;

C – емкость конденсатора, Ф; L – индуктивность, Гн.

Рис. 80. Пример IBIS модели Texas Instruments 3 AND Gate:

а) разброс параметров входа-выхода (пинов); б) картина спада (среза) сигнала; в) вольтамперная характеристика; г) картина фронта сигнала

(задержка начала импульса)

Все это приводит к появлению колебательного контура на входе микросхемы и к значительным искажениям, для устранения которых требуется время. Так, в даташите рассматриваемого компонента на выходе при воздействии стандартного CMOS сигнала наблюдается картина, приведенная на рис. 81.

57

Рис. 81. Картина сигнала на выходе компонента (видно зашумление в начале действия импульса)

Помимо потерь на входах компонентов, потери возникают в материалах изготовления печатной платы, а также из-за взаимного расположения дорожек.

1.а) появления конденсатора. Пересечение двух дорожек на разных слоях (рис. 82 (а)) приводит к появлению конденсатора с двумя обкладками, площадь которых равна площади пересечения, диэлектрическая постоянная соответствует параметрам подложки, а расстояние между пластинами – толщина диэлектрика. Борьба с данным параметром практически невозможна, так как неизбежно будут возникать пересечения дорожек на разных слоях, тогда можно предложить два пути уменьшения емкости:

а) увеличение расстояние между «обкладками» – данный вариант не всегда возможно реализовать, так как материалы изначально имеют стандартные значения толщины, а в большинстве современных печатных плат стремятся максимально уменьшить итоговую толщину текстолита. В современных мобильных устройствах с целью уменьшения занимаемого места применяются платы форм-фактора «книжка»;

б) также емкость возможно уменьшить, уменьшив площадь перекрытия пересечения, но этот способ категорически не рекомендуется использовать, так

где S – площадь поперечного сечения, соответственно зависящая от ширины проводника.

1.б) появление «длинного» конденсатора между соседними дорожками с воздушным диэлектриком (рис. 82 (б)). Чтобы избавиться от данного паразитного параметра применяют экранирование дорожек или между ними пускают земляную шину.

Для обоих описанных случаев емкость можно вычислить по формуле:

58

d – расстояние между обкладками, м.

а)

б)

Рис. 82. Возникновение паразитных емкостей: а) при пересечении на двух соседних слоях; б) параллельные проводники

2) очень часто на печатных платах формируют планарные катушки индуктивности, так как применение стандартных не имеет смысла ввиду их большого размера, больших номиналов индуктивностей. Самым распространенным видом такой катушки является меандр (рис. 83). Также подобная структура возникает при выравнивании длин проводников (л/р №1).

59