Подробное введение в разработку высокочастотных PCBA от FS Technology

Потребность в высокоскоростной и точной передаче данных заставляет высокочастотные кабели передачи данных становиться мейнстримом времени, такие как USB4, HDMI, Thunderbolt и DisplayPort. Передача сигнала осуществляется через старую версию HDMI 2.1TMDS, которая может достигать 18 Гбит/с и передавать изображения высокой четкости с разрешением 3840x2160p и 4K. Благодаря инновационной технологии высокочастотного PCBA, пропускная способность при использовании новейшего режима FRL может быть увеличена до 48 Гбит/с. Если использовать технологию сжатия, то можно легко передавать изображения с разрешением 10K; а используя новую версию USB4, Вы сможете увеличить скорость до 40 Гбит/с. Независимо от типа высокочастотной проводки, будет присутствовать тепловой шум печатной платы или другие виды шума. Как решить проблему шума печатной платы, стало предметом внимания производителей или дизайнеров. Здесь возникает вопрос, какое значение частоты считается высокочастотным? 400 МГц, 10 ГГц, 5 ГГц или 1 ГГц.

Три высокочастотные линии данных

Концепция высокочастотной линии

Уменьшите длину волн высокочастотного отражения

Определение высокой частоты может быть дано не только по частоте, но и по тому, происходит ли отражение. Когда электромагнитные волны передаются по среде (воздуху или печатной плате), возникают следующие три ситуации:

  • Непрерывная среда: феномен отражения не возникает;
  • Непрерывная среда: если происходит отражение, частота считается низкой частотой на этой среде;
  • Непрерывная среда: Если происходит отражение, частота считается высокочастотной на этом носителе.
 

Таким образом, мы можем сделать вывод, что отражение зависит от длины волны.

Скорость передачи электромагнитных волн в воздухе или вакууме равна скорости света:

Формула расчета тока высокочастотной печатной платы

В то время как в случае с любыми среднескоростными электромагнитными волнами это так:

Скорость передачи электромагнитных волн в печатной плате

Используя это выражение, мы можем определить скорость передачи электромагнитного излучения в случае такой среды, как высокочастотная плата PCBA:

Формула скорости распространения электромагнитной волны в печатной плате

Если мы соотнесем скорость волны с уравнением электромагнитной волны, когда она проходит через среду. В результате мы получим новое выражение: 

Формула длины волны электромагнитных волн в печатной плате

Из приведенного выше уравнения можно сделать вывод, что если длина волны больше длины пути передачи, то отражения не будет.

Поэтому, чтобы минимизировать отражение, мы можем увеличить длину волны электромагнитного сигнала до максимально возможной, обычно для этого используется длина трассы в 4 раза больше. Из приведенной выше формулы следует вывод, что, снижая частоту и уменьшая относительную проницаемость платы, можно увеличить и длину волны. Но в действительности, из-за требований к передаче данных, скорость передачи не может быть уменьшена произвольно, а среда печатной платы не может быть 1.

Есть и другой вариант, при котором длина Trace сокращается, и ее длина становится меньше длины передаваемой волны. Но FS Technology считает, что у этого подхода есть ограничения. Когда скорость передачи достигает определенной высоты или расположение между высокочастотными компонентами PCBA ограничено, длину трассы высокочастотного PCBA необходимо увеличить как минимум на 5-10 см.

Высокочастотные трассы и импеданс

Когда мы изучаем высокочастотные трассы на печатной плате, возникает вопрос о проектировании импеданса трассы, но в приведенных выше данных об этом ничего не сказано. Выше мы говорили о том, что в случае отсутствия отражений у трассы нет проблем с импедансом, поэтому нет необходимости в проектировании импеданса.

Как уже упоминалось в предыдущем параграфе, по мере роста требований к высокочастотной передаче данных слепое сокращение длины трассы оказывается очень слабым. Для проектов, требующих сверхвысоких скоростей передачи, этот метод вообще не может быть использован. Поэтому удлиненная трасса неизбежно будет давать отражение. Теория, основанная на электромагнитных волнах, гласит, что существует и другая техника, которая не имеет отражений: импеданс трассы = импеданс нагрузки = внутренний импеданс.

Эта теория связана с начальным обсуждением того, что если у нас сплошная среда, то отражения не будет. Проще говоря, трасса, нагрузка и внутренний импеданс - это одно и то же.

Отражение высокочастотного сигнала PCBA и неправильная оценка

Будь то производитель PCBA или клиент, приобретающий услуги PCBA, мы не хотим, чтобы появлялись отражения. Отражение обозначает часть энергии, которая не используется и не передается, а возвращается обратно к своему источнику, подобно передатчику. Основная мысль, которую мы хотим выразить выше, заключается в том, что при отсутствии отражения, независимо от того, какова частота в это время, трасса не будет иметь проблем с импедансом, то есть нам не нужно делать никакой импедансный дизайн.

Но в реальности эта отраженная энергия снова отражается от источника из-за явления суперпозиции волн. Если волны дважды отражаются от источника к точке приема, на них накладывается другой сигнал, который и является сигналом ошибки. Предположим, что цифровой сигнал, равный 1 в точке старта, станет нулем в точке приема, а сигнал, который был нулем, станет единицей, что приведет к просчету или неправильной оценке сигнала.

Меры предосторожности при изготовлении высокочастотного PCBA

Теперь, когда мы получили представление о проблемах, вызванных отражением, нам предстоит выбрать правильную плату для изготовления высокочастотной печатной платы. Обычно используются два типа печатных плат: Rogers и FR4.

Относительная проницаемость - ключевой момент, влияющий на качество сигнала:

Относительная проницаемость печатной платы

Существует связь между частотой и относительной проницаемостью, и изменение частоты также изменяет относительную частоту, приведенная ниже формула объясняет этот фактор:

Связь между изменением частоты печатной платы и диэлектрическим коэффициентом

И

Высокочастотная печатная плата Изменение частоты в сравнении с диэлектрическим коэффициентом

Здесь мы видим, что изменение относительной проницаемости в зависимости от частоты передачи электромагнитной волны на плату и длины волны также изменяется. Это явление дисперсии, описываемое теорией электромагнитных волн, и такая среда известна как дисперсионная.

Подробный обзор проблем дисперсии на высокочастотных PCBA

Цифровой сигнал передается в виде квадратных волн, которые равны либо 0, либо 1. Если мы будем наблюдать за изменением частоты квадратной волны, то это отразится в формировании бесчисленного множества синусоидальных волн различных частот. Проще говоря, он состоит из основной волны и 2 нечетных гармоник, накладывающихся друг на друга.

Закон высокочастотной квадратной волны для печатной платы

Если три волны разной частоты проходят через трассы печатной платы из-за разной относительной проницаемости, будет наблюдаться разница в скорости передачи. В идеальном случае все три частоты имеют одинаковую скорость, мы устанавливаем значение скорости на X, и в результате на приемном конце мы получим полный сигнал квадратной волны. Но в реальности этого не может произойти, три частоты имеют свою собственную скорость, либо быструю, либо медленную. Если мы слепо увеличим длину трассы, то получим электромагнитные волны, разложенные на три разные частоты в разное время.

Изменение скорости различных частот на высокочастотной печатной плате

Одинаково высокий сигнал достигается в разные временные интервалы, и амплитуда также уменьшается, что приводит к ошибкам при вынесении решения в точке приема и к битовым ошибкам.

Или, если в нашем оборудовании есть несколько сигналов с разной скоростью, так как высокоскоростной сигнал будет превышать низкоскоростной, это приведет к тому, что высокочастотный PCBA получит неупорядоченный сигнал на приемной стороне, что сделает невозможным оценку его точности.

Как мы уже говорили ранее, несмотря на то, что мы рассчитали импеданс трассы (односторонний 50 Ω или дифференциальный 100 Ω), трасса может двигаться большее время, не вызывая отражений, но когда она встречается с дисперсионной средой, это также ограничивает длину трассы. Поэтому при проектировании импеданса мы можем сделать трассу как можно короче.

Сравнение высокочастотных материалов: FR4 против Rogers

Используя понимание относительной проницаемости и явления дисперсии, проведите сравнение между материалами FR4 и Rogers. Приведенный ниже рисунок дает представление об относительной проницаемости FR4 и Rogers в зависимости от частоты.

Относительная проницаемость в зависимости от частоты для FR4 и Rogers

Из приведенного выше рисунка видно, что ∈ r (f) FR4 сильно изменяется в зависимости от частоты, в то время как плата Роджерса отсутствует. Предположим, что мы используем частотный диапазон скорости передачи данных PRBS31, поэтому при использовании FR4 необходимо уделить серьезное внимание вопросам дисперсии. Для уменьшения дисперсии трассы должны быть как можно меньше.

Вы можете подумать, что решение не в том, чтобы использовать FR4, а в том, чтобы использовать Rogers PCB, и проблемы решены. Это правильно, но цены на Rogers высоки, и Вы должны учитывать и это. Снижение цен и то, как сохранить качество сигнала, чтобы выполнить требования к связи. Это всегда приходит на ум инженерам, которые делают макеты для создания баланса.

Наконец, мы еще не обсудили влияние ∈ r (f) на импеданс трассы. В принципе, оно будет влиять, но чтобы избежать слишком запутанного анализа и объяснений, вопрос проектирования импеданса идеализирован.

Анализ большой волноводной структуры трех высокочастотных PCBA

В вышеприведенном обсуждении мы рассказали о взаимосвязи между высокой частотой и печатной платой, например, о выборе точного материала и сравнении цен. Теперь мы обсудим разводку высокочастотной печатной платы.

Когда мы задумываемся о том, как разработать макет печатной платы? Первый вопрос, который приходит на ум, - это вопрос о моделировании. Использование программного обеспечения для моделирования легко, оно экономит дополнительное время и стоит дорого, но как сформулировать параметры моделирования? Во-первых, Вы должны иметь представление о том, как начать проектирование макета. 

До высокочастотная печатная плата При изготовлении платы первая проблема, с которой мы сталкиваемся, - это выбор подходящей волноводной структуры. Ниже описаны три самые основные структуры волноводов:

  • Микрополосковый
  • Stripline
  • Копланарный волновод

Сравнительная диаграмма структуры большого волновода печатной платы

Микрополосковый

Архитектура и дизайн просты. Для аналогичных высокочастотных PCBA подложки, существует множество параметров, которые нельзя варьировать из-за простой структуры, например, ширина подложки и толщина линии.

С увеличением частоты возникает еще одна проблема для микрополосковой линии: значение воздуха над трассой равно ∈ eff = 1, а подложка под ней равна ∈ eff ≠ 1. В этом случае возникает асимметричная картина для верхнего и нижнего поля, что приводит к асимметричной картине поля электромагнитной волны. Такое асимметричное поведение влияет на качество передачи сигнала.

Stripline

Структура сложная, и ∈ eff верхней и нижней подложки может быть близка к подложке, поэтому рисунок электромагнитной волны получается полным. Кроме того, высокочастотные трассы stripline не проявляют эффекта дальних перекрестных помех друг другу.

Проблемы с затуханием и отражением сигнала возникают из-за избыточного сегмента сквозных отверстий, поскольку внутренние слои соединяются с внешними частями с помощью отверстий. Чтобы минимизировать эту проблему, используйте обратное сверление или глухие проходы, но это увеличивает затраты. 

Улучшенная высокочастотная печатная плата

Копланарный волновод

Для создания волновода обе стороны трассы покрываются медной защитой, как в случае с микрополосками. Затем микрополосковый, копланарный волновод имеет возможность изменять больше физических параметров, например, расстояние между трассой и землей и расстояние между виа и трассой, существующей на земле.

Копланарный волновод проходит через GND, что минимизирует эффект перекрестных наводок. Если в схемах, таких как PCIe, используются высокочастотные и высокоплотные трассы, то в конструкции не будет достаточно места, чтобы применить медное заземление с обеих сторон трасс.