Заземление в многослойных печатных платах
Высококачественная многоуровневая система невозможна без хорошего заземления, которое прорабатывается дизайнером МПП с первого шага разработки. Разводка шин и полигонов заземления в МПП – очень важный и ответственный момент конструирования, непосредственно влияющий на ЭМС разрабатываемого электронного модуля, и, как следствие, конечного изделия. Существует ряд аспектов, придерживаться которых должен дизайнер МПП при топологическом проектировании. К числу таких аспектов относятся:
- разделение шин и полигонов на аналоговую и цифровую части – один из важнейших, простых и наиболее эффективных способов снижения уровня ЭМП в электронных схемах многослойных печатных плат. Это требование не означает электрической изоляции аналоговой от цифровой земли. Их электрическое объединение должно осуществляться в каком-то, желательно одном, низкоимпедансном узле, как можно ближе к источнику электропитания;
- запрещается перекрытие аналоговых и цифровых полигонов. Шины и полигоны аналогового электропитания должны быть смежными с шинами и полигонами аналоговой земли. Требования к трассировке и размещению шин цифрового электропитания аналогичны - шины и полигоны электропитания цифровых ИС должны быть смежными с шинами и полигонами цифровой земли. В местах перекрытия аналогового и цифрового полигона, распределенная емкость между перекрывающимися участками создает емкостную связь по переменному току, и наводки, распространяющиеся по шинам и полигонам от работы цифровых компонентов, попадут в цепи аналоговой схемы;
- размещение аналоговой части схемы вблизи от электрических соединителей МПП в мировой практике является хорошо зарекомендовавшей себя концепцией;
Существует лишь единственное отступление для ИС аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей в корпусах с раздельными выводами для аналоговой и цифровой земли. В этом случае объединение аналоговых и цифровых шин GND должно выполняться над областью полигона аналоговой земли. В электрической схеме эти выводы всегда должны подключаться к шине аналоговой земли. При конструировании МПП, содержащей ЦАП или АЦП, необходимо обеспечить хорошую развязку цифрового электропитания преобразователя на аналоговую землю.
Паразитные параметры МПП
При перекрытии полигонов и(или) шин МПП, находящихся на разных слоях, возникает емкостная связь, возрастающая с ростом частоты передаваемого сигнала. Полигоны или проводники, расположенные в смежных слоях в этом случае образуют пленочный конденсатор, емкость которого можно определить по следующей формуле:
С = 0,0085´ER´A/d (пФ),
где С – межслойная емкость;
ER – диэлектрическая постоянная;
A – площадь перекрытия, мм²;
d – расстояние между слоями, мм.
Типовое значение ER для МПП на основе широко распространенного материала FR-4 составляет 4,5.
При близком параллельном расположении проводников в слое МПП, между ними образуется емкостная и индуктивная связь. Этот фактор
приобретает особое значение для входов ОУ, большая емкостная связь между которыми может привести к самовозбуждению схемы.
Переходные отверстия, формируемые для осуществления межслойного электрического соединения, вносят паразитную индуктивность, значение которой можно приближенно рассчитать по приведенной ниже формуле:
L ≈ h/5´(1+ln(4h/d)) (нГн),
где L – индуктивность переходного отверстия;
d – диаметр отверстия после металлизации (мм);
h – длина канала переходного отверстия (мм).
Индуктивность отверстия с емкостью электрической схемы образует резонансный контур, резонансная частота которого, как правило, лежит в диапазоне СВЧ из-за очень малого значения индуктивности отверстия. Однако, при большом числе переходов на пути распространения сигнала, резонансная частота паразитного контура снижается и этот фактор должен быть учтен дизайнером МПП. Другим негативным фактором при большом количестве переходных отверстий в полигоне слоя GND является образование петлевых участков – неконтролируемых контуров.
При повороте проводника в слое МПП на угол 90º, сигнал, передаваемый по нему, частично отражается. Этот эффект происходит, главным образом, из-за изменения ширины проводника МПП в месте его поворота на пути прохождения тока. Линия передачи изменяет свои характеристики поскольку в вершине прямого угла ширина трассы увеличивается в 1,414 раза, что приводит к рассогласованию, особенно распределенной емкости и собственной индуктивности трассы. Возможность большинства современных CAD-пакетов сглаживать углы проведенных трасс или проводить трассы в виде дуги является необходимостью для достижения качественного дизайна МПП и хороших электрических характеристик последних.
Диэлектрические потери
В любой конструкции линии передачи электрических сигналов применяется диэлектрик с теми или иными техническими характеристиками. На высоких частотах и при передаче высокоскоростных сигналов диэлектрические потери приводят к ослаблению передаваемых сигналов и оказывают существенное влияние на целостность информационного потока.
Этот фактор определяет широкую номенклатуру зарубежных материалов для изготовления МПП, кабелей, СВЧ-устройств.
Диэлектрические потери характеризуются слабой зависимостью волнового сопротивления электрической линии связи от частоты, в то время, как коэффициент затухания передаваемого информационного потока в дБ прямо пропорционален частоте.
На вполне определенной для данного диэлектрика частоте ωθ потери в диэлектрике становятся равными потярям, обусловленным поверхностным эффектом, а на частотах выше ωθ – значительно превосходят их.
Частота ωθ называется пороговой частотой области диэлектрических потерь. Для большинства наиболее широко распространенных диэлектриков частотаωθ составляет около 800 МГц.
При топологическом конструировании МПП для высокоскоростного обмена и передачи информационных потоков необходимо применять материалы МПП и связующие межслойные диэлектрики (препрег) с низким показателем тангенса угла диэлектрических потерь - tg(θ). Чем меньше значение tg(θ), тем меньне уровень диэлектрических потерь в электрической линии связи и тем шире полоса пропускания этой линии.
Кроме того, снижение диэлектрической проницаемости материала εr даже, если tg(θ) остается неизменным тоже имеет положительные стороны – возрастает скорость распространения сигнала, что приводит тоже к снижению уровня диэлектрических потерь.
Конструктор МПП должен учитывать не только технологичность, стойкость к климатическим ВВФ, механическую прочность и доступность материала у поставщика, но и специфику МПП, соответствие выбранного
материала МПП требованиям разработчика к целостности передаваемых сигналов, постоянству импеданса для отдельно обозначенных разработчиком схем электрических линий связи, минимизацию диэлектрических потерь. Материалы типа СФ- или FR- обладают значительными диэлектрическими потерями и для конструирования МПП с высокоскоростными сигналами не пригодны.
Электрические соединители
Электрические соединители давно стали непременным атрибутом многофункциональных систем с хорошей ремонтопригодностью. Качество электрических связей через контакты электрического соединителя более актуально для аналоговых схем и высокоскоростной передачи информационных потоков, чем для обычной цифровой логики. Особую значимость качество таких электрических связей приобретает в схемах ЦАП и АЦП. Предположим, что электропитание схемы АЦП осуществляется через контакты электрического соединителя, при этом для подключения к общей шине обеспечивается контактное сопротивление 0,02 Ом. Сопротивление остальных участков этих цепей для наглядности примера примем равными нулю. Предположим, что ток, потребляемый схемой АЦП, составляет 0,8 А. Если аналоговая часть схемы содержит двенадцатиразрадный АЦП с диапазоном входного напряжения 10 В, то младший значащий разряд АЦП будет иметь значение 2,44 мВ, а падение напряжения на сопротивлении контактов электрического соединителя составит 16 мВ. В случае, если только 30% от падения напряжения на сопротивлении контактов электрического соединителя (5,33 мВ) будут воздействовать на аналоговый сигнал, это приведет к маскированию двух младших разрядов АЦП напряжением ЭМП, что повлечет потерю точности обработки аналогового сигнала и ухудшит качественные характеристики схемы, модуля и конечного устройства, в состав которого входит АЦП. Решение дизайнера МПП – отвести возможно большее количество контактов электрического соединителя в МПП, содержащих ЦАП и(или) АЦП, для подключения к общему проводу и уменьшения контактного сопротивления цепи.
При топологическом проектировании МПП для высокоскоростного обмена и передачи информации конструктор должен предусмотреть не только достаточные зазоры вокруг сквозных отверстий контактов электрического соединителя в МПП, но и множество металлизированных дорожек вокруг них, соединенных со слоем GND. В идеале – каждый слой МПП должен содержать эти заземленные дорожки. Отсутствие таких конструктивных мер приводит к довольно большим значениям
перекрестных помех между выводами электрического соединителя, которые могут достигать значения более 2 В.