что такое опорный слой печатной платы
SamsPcbGuide, часть 2: Выбор структуры печатной платы
Это вторая статья из цикла, в ней рассматривается процесс выбора структуры печатной платы (англ. PCB stackup), даются базовые рекомендации по формированию структуры, а также приводятся типовые решения сборок для многослойных печатных плат с указанием их преимуществ и недостатков.
В проектировании печатной платы можно выделить несколько основных процессов – размещение компонентов на печатной плате, выбор структуры печатной платы, трассировка сигнальных линий, проектирование подсистемы питания. Все они взаимосвязаны и взаимозависимы, поэтому постоянно присутствуют (в активном или фоновом режиме) в течение всего процесса разработки. Кроме того, проектирование достаточно сложной печатной платы – это чаще всего итеративный процесс, когда, например, выбранная изначально структура печатной платы может быть скорректирована на поздней стадии проектирования. Структура печатной платы определяется количеством и толщинами проводящих медных слоёв, а также материалами, толщинами и компоновкой диэлектрических слоёв – базовых (англ. core) и препрегов (англ. pre-preg). Другие важные параметры – это финишное покрытие внешних слоёв, наличие и материалы защитной маски (англ. solder mask). Разработчик должен не только разбираться в свойствах материалов печатных плат, но и чётко представлять себе типовые процессы заводов-изготовителей плат и привносимые ими технологические погрешности. Например, полезно посмотреть видеоматериал на YouTube-канале Eurocircuits NV или аналогичные, где подробно представлены технологические процессы. Такая компетенция устраняет разрыв между ожидаемой в соответствии с 3D-моделями САПР и реальной, поступившей с завода печатной платой, а также позволяет оптимизировать стоимость её изготовления.
«Неэлектрические» рекомендации
Структура печатной платы должна быть симметричной по её толщине, а распределение меди по слоям – сбалансированным.
Структура печатной платы должна быть симметричной, в противном случае при её изготовлении вероятность коробления или, иными словами, её изгиба, скручивания. Именно поэтому завод-изготовитель может отказать в изготовлении такой платы, выдав рекомендации по её доработке. При этом требование симметричности приводит не только к чётному количеству проводящих слоёв, но и к равномерному распределению меди в слоях (англ. copper balancing). Особенно это важно для плат с низким отношением толщины к площади (в частности для тонких плат толщиной 0,5 мм и менее) и для проектов под автоматический монтаж компонентов.
Ещё один неэлектрический фактор, о котором разработчик не должен забывать при выборе структуры печатной платы – экономический. Чем больше количество слоёв используется, тем дороже печатная плата. Особенно в случае нестандартных для завода-изготовителя сборок стоимость на малых партиях может отличаться в разы! Поэтому в процессе разработки рекомендуется использовать калькуляторы стоимости печатных плат, предоставляемые заводами-изготовителями. Например, у отечественного ООО «Резонит» такой сервис на сайте есть.
Рекомендуется использование калькуляторов стоимости печатных платы при выборе структуры.
«Электрические» рекомендации
В структуре современной цифровой печатной платы (с частотой тактового сигнала более 5 МГц и/или длительностью фронтов менее 5 нс) должен быть хотя бы один сплошной слой общего провода.
Сигнальные слои должны быть расположены максимально близко к сплошному слою земли или питания.
Оптимальный переход высокочастотной сигнальной линии между слоями обеспечивает структура, в которой между этим слоями находится сплошной слой земли или питания.
Сплошной слой питания рекомендуется располагать вблизи сплошного слоя земли.
Использование отдельного сплошного слоя питания для некоторых проектов вообще может быть избыточным или невозможным по причине ограниченного количества слоёв, тогда цепь питания может быть разведена в сигнальных слоях. Но если в структуре печатной платы сплошные слои питания есть, то их рекомендуется располагать вблизи сплошных слоёв земли. Такая структура в печатной плате снижает индуктивность подсистемы питания, тем самым повышая её эффективность на высоких частотах. В то же время повышается встроенная распределённая ёмкость печатной платы (англ. embedded/distributed/interplane capacitance), хотя и величина этой ёмкости для стандартных диэлектриков мала:
Слои питания разных доменов не рекомендуется располагать на соседних близких слоях. Или, в более общем виде, емкостная связь между разными доменами питания должна быть минимизирована.
Возникающая емкостная связь служит каналом утечки высокочастотных шумов из одного домена в другой. Таким образом, например, шумы цифрового домена питания могут на внутренних слоях проникать в питание аналоговой части (рис. 1), приводя к неработоспособности чувствительной схемы и недоумению разработчика.
Алгоритм и примеры
В связи с тем, что количество слоёв печатной платы ограничено, разработчик вынужден будет принять компромиссное решение между приведёнными рекомендациями. Однако Р.3 и Р.4 имеют наивысшие приоритеты и должны рассматриваться в первую очередь. Учитывая вышесказанное, алгоритм выбора структуры печатной платы может выглядеть следующим образом (при этом достаточно иметь эскизное размещение компонентов печатной платы):
Заметим, что система с несколькими доменами питания является распространённым случаем – даже при одном уровне напряжения может потребоваться разделение питания аналоговой и цифровой части. Если разработчик принимает разводить несколько доменов питания в одном слое, этот слой не рекомендуется использовать в качестве опорного слоя в связи с наличием в нём разрывов. При этом для минимизации емкостной связи (Р.7) рекомендуется использование увеличенных зазоров (порядка нескольких миллиметров) между проводниками разных доменов.
В таблице 1 представлены примеры удачных структур печатных плат с различным числом слоёв (больше примеров в [1]), которые иллюстрируют указанные выше положения. Эти примеры можно использовать в качестве заготовок для своих проектов, однако приведённый выше алгоритм является наиболее универсальным способом, обеспечивающим оптимальность структуры печатной платы для заданного проекта.
Таблица 1. Примеры структур печатных плат.
| 2 | | |
|---|---|---|
| 4 | | |
| 4 | | |
| 4 | | |
| 6 | | |
| 6 | | |
Толщина проводящих медных слоёв
Следующий важный параметр печатной платы – толщина проводящих медных слоёв, которую определяют, прежде всего, требуемые минимальный зазор и минимальная ширина проводника, а также максимальный ток, протекающий по проводнику. Чем тоньше проводящий слой, тем меньший топологический рисунок может быть получен и тем меньший предельный ток выдержит печатная дорожка (при прочих равных условиях – ширина проводника, частота тока, теплоотвод и др.). Требование к минимальным зазору и ширине проводника возникает из плотности трассировки печатной платы. Другим ограничением обычно является топология рекомендуемого посадочного места одной или нескольких из применяемых микросхем. Практика показывает, что когда необходимо снизить требования к минимальному зазору, геометрию рекомендуемого посадочного места можно в некоторых пределах варьировать без ущерба для пайки. На большинстве заводах-изготовителях печатных плат существуют стандартные топологические нормы и повышенные (так называемый «5 класс точности»). Переход на 5 класс точности обычно приводит к удорожанию печатной платы в 1,5-2 раза, отсюда может возникать необходимость столько же раз подумать над возможностью корректировки топологии для снижения требований к нормам.
Литература
[1] Ott H. W. Electromagnetic Compatibility Engineering. Wiley, 2009.
Статья была впервые опубликована в журнале «Компоненты и технологии» 2017, №12. Публикация на «Geektimes» согласована с редакцией журнала.
Понятие стека (структуры слоев) печатной платы
Говоря о структуре (stackup) разработчики и конструктора печатных плат в первую очередь подразумевают очередность следования слоев, геометрические размеры и типы используемых материалов в отношении многослойных печатных плат. Это объясняется тем, что рассматривать структуру элементарных однослойных и двухслойных печатных плат не имеет смысла, ввиду простоты и очевидности их конструкции.
В большинстве случаев двухслойная печатная плата состоит из подложки одностороннего или двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, и общая толщина печатной платы определяется толщиной этого самого материала, к которой прибавляется толщина финишного покрытия печатной платы, например, толщина ПОСа на контактных площадках посадочных мест печатной платы и паяльной защитной маски. Тогда как многослойные печатные платы по своей сути напоминают пирог (или торт), характеризующийся многообразием функциональных слоев, материалов и конструкций. Как уже было сказано ранее, говоря о стеке (структуре слоев печатной платы), мы подразумеваем некую физическую конструкцию, созданную по определённой концепции, имеющую конкретные размеры, материалы и строгие геометрические размеры. В качестве примера рассмотрим стэкап (структуру слоев) шестислойной печатной платы.
Как видно из рисунка стек печатной платы «собран» из двух фольгированных подложек стеклотекстолита FR4, называемых «ядрами» и разделенных между собой изолирующими прокладками, называемыми «препрегом». Общая (финальная) толщина печатной платы будет определяться толщиной всех, входящих в неё материалов – слоёв стека.
Стоит также отметить, что структуры слоев многослойных печатных плат по своей сути представляют сложные наборные конструкции, которые могут существенно отличаться друг от друга как по количеству проводящих слоёв, геометрических размеров, так и самой конструкции даже для печатных плат с одинаковым количеством слоёв. Это можно проследить на примере трёх стеков (структур слоёв) – двух четырехслойных и одной трёхслойной печатных плат.
Разработка структуры слоев печатной платы не всегда ложится на плечи конструктора печатных плат. Если к печатной плате нет особых требований, стек может быть разработан предприятием-изготовителем на этапе производства. В этом случае, разработчик по отдельному запросу на завод может ознакомиться с выбранной заводом-изготовителем структурой (стеком) печатной платы по факту.
Предвосхищая вопрос о том, как правильно должна выглядеть форма представления структуры слоев печатной платы сообщу, что нет какого-либо строго определенного вида. Каждая из сторон, участвующая в разработке и изготовлении печатной платы представляет стек так, как считает нужным, так как ей удобнее. Главным критерием правильности является очевидность и доступность информации, особенно в случаях международных коопераций при разработке печатных плат и электронных блоков. Важно, чтобы не только вас поняли технологи завода-изготовителя, но и, чтобы вы, не зная китайской грамоты, смогли уловить суть вещей, получив с завода для ознакомления и согласования предлагаемый к производству стэкап печатной платы.
Напоследок, в подтверждение многообразия представления информации описывающей стеки многослойных печатных плат, приведу примеры представления и виды стеков реальных печатных плат.
Особенности проектирования высокоскоростных устройств
В статье рассмотрены особенности высокоскоростных устройств и приведены рекомендации для успешного выполнения проектов таких устройств. Даны практические советы по аспектам, на которые следует обратить внимание при проектировании таких устройств, и рассмотрены программные инструменты, позволяющие достичь необходимого результата.
Высокоскоростное устройство — это устройство в котором применяются сигналы с быстрыми фронтами. Сигнал переключается так быстро, что переход от одного состояния в другое завершается еще до того, как сигнал проходит путь по топологии от источника до приемника. В этом случае сигнал может быть отражен от приемника обратно на вывод источника, ухудшая или погашая исходный сигнал.
Сигнал с быстрым фронтом также может излучаться проводником и влиять на соседние сигналы, или становиться электромагнитными помехами (ЭМП), в результате чего устройство не будет соответствовать обязательным требованиям по допустимому уровню излучаемых помех. В качестве примеров высокоскоростных устройств можно привести устройства в которых имеются интерфейс USB 3.0, память DDR от второго поколения и старше, шины данных PCI Express, интерфейс SATA 3.0 и т.д.
При проектировании трасс для высокоскоростных сигналов, вы проектируете не просто проводники печатной платы, а линии передач, которые встроены в печатную плату и волновое сопротивление которых должно быть рассчитано с учетом ее полной структуры, поскольку часть энергии высокоскоростного сигнала передается в виде электромагнитной волны проходящей через тело платы между сигнальным проводником и опорным слоем.
Для успешного выполнения проектов печатных плат для высокоскоростных устройств, необходимо учитывать огромное количество факторов, в том числе проблемы целостности сигнала, выполнять все требования по расположению компонентов на плате и принимать все необходимые меры по фильтрации питания. В каждом конкретном случае в зависимости от типа используемого интерфейса, существуют особые требования по выполнению проекта. Но всё же есть ряд универсальных рекомендаций, которые применимы в большинстве случаев.
1. Как определить является ли ваше устройство высокоскоростным?
Стоит выучить приближенное правило которое гласит, что если в проекте имеются трассы длина которых не обеспечивает время прохождения сигнала менее трети времени переключения источника, то в них могут происходить отражения, следовательно такие трассы можно считать высокоскоростными. Например если сигнал на выводе источника имеет время переключения 1 нс, то проводник, через который этот сигнал идёт дольше 0,33 нс (примерно 2 дюйма, или 50 мм, в плате выполненной из материала FR4), необходимо рассматривать как линию передачи, которая может вызвать проблемы с целостностью сигналов.
2. Продумывание проекта
Следует заранее продумывать проект в части расположения критичных ко времени распространения сигнала компонентов: источников и приемников сигнала, кварцевых резонаторов, согласующих резисторов и соединителей. Компоненты должны быть расположены так, чтобы не образовывалось длинных петлеобразных трасс, для микросхем с выводами под корпусом необходимо предусмотреть дополнительное место под фэнаут (5-7 мм по периметру).
Развязывающие конденсаторы следует располагать в непосредственной близости от соответствующих выводов микросхем. На изображениях ниже приведены варианты разводки BGA микросхем.
3. Выбор стэка печатной платы
Выбрать количество и назначение слоев печатной платы можно исходя из количества компонентов схемы, используемых типов питания микросхем, полигонов земли. Для высокоскоростных устройств рекомендуется использовать печатные платы от четырех слоев, для удобства выполнения топологии. Примеры типичного расположения сигнальных и опорных слоев в стэке приведены в таблице ниже.
Типовые конструкции печатных плат, можно посмотреть например на сайте производителя печатных плат Резонит.
В Altium Designer 21 с помощью Layer Stack Manager реализована функция настройки профилей импеданса для текущего набора слоев, подробнее об этом можно прочитать тут (статья на английском).
4. Выбор материала печатной платы
Выбирать материал необходимо исходя из условий эксплуатации, максимальной рабочей частоты устройства и финансовых возможностей. Известно, что одними из важнейших параметров материалов для печатных плат являются относительная диэлектрическая проницаемость Dk и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ, но помимо всего прочего важна и плотность плетения волокон стеклоткани в материале, потому что для высокоскоростных печатных плат является важным постоянство волнового сопротивления, которое зависит от того, проложен ли проводник преимущественно над стеклотканью или над смолой, заполняющей пространство между нитями, так как значение Dк стеклоткани и смолы отличаются.
В некоторых случаях целесообразно будет попросить производителя платы повернуть заготовку на 45°, тем самым добившись среднего значения Dk, заявленного в характеристиках материала, это позволит использовать более дешевый материал с более низкой плотностью плетения.
Если требуется изготовить плату с контролируемым импедансом, об этом обязательно необходимо сообщить производителю платы, иначе, даже при условии идеально просчитанного проекта, можно получить неудовлетворительный результат. Отдавать предпочтение следует материалам с минимальным значением tg δ. На рисунке ниже можно увидеть макроснимки, демонстрирующие плотность плетения разных образцов стеклоткани.
5. Правильный сигнальный маршрут
Важную роль в проектировании высокоскоростных устройств играет правильное выполнение сигнального маршрута. При трассировке критичных цепей следует избегать переходных отверстий, так как переходные отверстия создают нежелательные емкости и индуктивности, а это, в свою очередь, вызывает отражения и искажения сигналов из-за неоднородности импеданса при переходе от отверстий к проводникам, либо нужно учитывать их при расчете волнового сопротивления трассы.
Проводники в таких цепях должны быть максимально короткими без острых углов с плавными поворотами и дугами в изломах. Зазор между сигнальными проводниками должен быть максимальным. Следует избегать отводов от сигнальных трасс или делать их максимально короткими.
Под каждым сигнальным проводником должен располагаться сплошной опорный слой в виде полигона металлизации в котором не должно быть разрывов. Если проводник расположен во внутреннем слое печатной платы, то он может иметь вид линии передачи с двумя опорными слоями, что позволит ограничить распространение электромагнитного излучения и повысить устойчивость к внешним источникам помех. Проводники в одной группе сигналов должны иметь одинаковую длину, с допуском в зависимости от требований к конкретному интерфейсу.
Этого можно добиться с помощью выравнивания длин проводников специальными инструментами которые создают в проводнике дополнительную геометрию (меандры, тромбоны, зубья пилы). Более подробная информация по ссылке внизу: https://www.altium.com/ru/documentation/altium-designer/length-tuning-ad
Кроме этого иногда нужно выровнять не длины проводников конкретных цепей, а конкретные сигналы между компонентами, это возможно сделать с помощью инструмента Altium Designer который называется X-Signals, подробнее об этом инструменте можно прочитать здесь (статья на английском): https://www.altium.com/ru/documentation/altium-designer/defining-high-speed-signal-paths-with-xsignals-ad
6. Симметричная геометрия проводников
Проводники дифференциальных пар должны иметь симметричную геометрию, их необходимо задавать в схеме соответствующим инструментом. Не допускается наличие переходного отверстия только в одной цепи дифференциальной пары, и в лучшем случае их рекомендуется избегать.
Располагать проводники дифференциальной пары необходимо на расстоянии позволяющем обеспечить необходимое волновое сопротивление. Выравнивание длин проводников внутри дифференциальной пары необходимо выполнять как можно ближе к изгибу, который привел к появлению разницы в длине проводников.
Больше информации о трассировке дифференциальных пар можно узнать из данной статьи.
7. Вырезы в опорном слое
Импеданс печатного проводника зависит от его ширины и расстояния до опорного слоя – более широкий проводник имеет меньший импеданс, чем тонкий проводник той же длины. То же самое можно сказать и про соединительные разъемы и контактные площадки. Импеданс контактной площадки будет значительно меньше, чем у подключенной к ней дорожки меньшей ширины, таким образом могут появляться отражения, что, в свою очередь, может негативно сказаться на целостности сигнала.
Следовательно, под разъемами и большими контактными площадками необходимо выполнять вырез в полигоне опорного слоя, вместо этого активный полигон опорного слоя необходимо располагать на слой ниже и объединить их с помощью переходных отверстий, пример приведён на рисунке.
8. Особенности разведения шин
При разводке шин с большим количеством эквивалентных проводников следует, при необходимости выполнять их перестановку (“свапирование”), для того чтобы исключить добавление переходных отверстий и лишних поворотов печатных проводников.
Подробнее об этом вы можете узнать в документации.
9. Импеданс
Контролируйте импеданс всех линий передач. Важно понимать, что импеданс одиночного проводника и импеданс дифференциальной линии – это разные вещи. Импеданс сигнального проводника должен быть рассчитан относительно опорного слоя. Линии высокоскоростных дифференциальных интерфейсов, должны иметь согласованное значение дифференциального импеданса между двумя сигнальными проводниками дифференциальной пары.
Кроме того, каждый из проводников дифференциальной пары характеризуется собственным импедансом относительно опорного слоя. При выборе геометрии дорожек дифференциальный импеданс имеет более высокое значение, чем импеданс каждой из линий.
Необходимо помнить, что скорость распространения сигнала в полосковых линиях передачи (проводник расположен во внутреннем слое печатной платы) ниже чем в микрополосковых линиях передачи (проводник расположен во внешнем слое печатной платы). Это обусловлено разными значениями эффективной диэлектрической проницаемости, для внутренних слоёв её значение будет больше, чем для внешних.
Следовательно, проводник во внутреннем слое увеличит задержку во времени прохождения сигнала относительно проводника во внешнем слое печатной платы. В то же время размещение проводников во внутренних слоях может повысить их помехозащищенность.
Подробнее о трассировке плат с контролируемым импедансом можно узнать тут.
Электромагнитная совместимость: Многослойные печатные платы
В статье «Учет ЭМС при разработке высокочастотных печатных плат» мы коснулись базовых правил обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) при проектировании многослойных печатных плат. В данной статье мы продолжим рассмотрение этой темы.
Проектирование высокоскоростных многослойных печатных плат
Обычно многослойная плата, помимо сигнальных слоев, имеет выделенные слои питания и земли. Наличие сплошных плоскостей земли и питания упрощает подключение компонентов схемы. Это также уменьшает индуктивность и импеданс, что позволяет работать с высокими рабочими частотами и снижать уровень шумов. На практике оказывается, что при прочих равных условиях четырехслойная плата будет генерировать на 15 дБ меньше шума, чем двухслойная.
Высокоскоростные схемы – это схемы, в которых присутствуют высокоскоростные сигналы с крутыми фронтами (с высокой скоростью нарастания). Но как определить, что считать высокой скоростью? Очевидно, что понятие «высокая скорость» относительно. Для раскрытия этого вопроса необходимо сравнивать скорости распространения волны и нарастания сигнала.
Скорость электронов в дорожке печатной платы меньше их скорости в воздухе (которая равна скорости света). Это связано с тем, что поле, окружающее электрон, пронизывая материал ПП, создает сопротивление его движению. Формула 1, приведенная ниже, показывает соотношение между скоростью волны Vw, распространяющейся вдоль дорожки на ПП, и скоростью волны С в вакууме:
Например, скорость распространения электромагнитного поля в проводнике, окруженном воздухом, составляет около 30,5 см (12 дюймов) в наносекунду (нс). Но в случае с дорожкой, расположенной на печатной плате с эпоксидной пропиткой (диэлектрическая проницаемость 4), скорость уменьшается до 15,2 см (6 дюймов) в наносекунду.
Теперь рассмотрим тактовый сигнал, время нарастания которого составляет 1 нс. Если размеры печатной платы превышают половину расстояния, пройденного этим сигналом за 1 нс (то есть больше 7,6 см или 3″), то длина дорожек начнет оказывать воздействие на напряжение. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
На рисунке 1 анализируется распространение типового тактового сигнала со временем нарастания 1 нс. За это время ток, связанный с сигналом, успевает преодолеть расстояние 15,2 см (6″). Каждый раз при изменении направления дорожки или ее ширины возникает отраженная волна. Если размер печатной платы меньше 7,6 см (3″), то отраженная волна вернется к выходу драйвера генератора менее чем через 1 нс (точка X на рис. 1), то есть в тот момент, когда драйвер все еще продолжает передавать сигнал. Из-за инерции драйвера отраженный импульс не будет влиять на формируемый сигнал.
Рис. 1. Задержка распространения
Если же размеры печатной платы (или отрезок дорожки) больше 7,6 см (3″), то отраженный импульс будет возвращаться в момент времени Y. Поскольку фронт уже прошел, то отраженный импульс окажет существенное влияние на формируемый сигнал.
Следовательно, для печатной платы с размерами более 7,6 см (3″) сигналы со временем нарастания 1 нс будут считаться высокоскоростными, и для таких случаев требуется особый подход к проектированию.
Структура многослойной печатной платы
Давайте рассмотрим некоторые связанные с многослойными печатными платами термины, которыми мы в дальнейшем будем часто пользоваться.
Структура или Стек слоев печатной платы. Стек печатной платы – это порядок следования проводящих слоев и слоев диэлектрика в многослойной плате.
Уменьшение краевых полей: правило 20H
Высокочастотные (ВЧ) токи, протекающие от цепи питания к земле, неизбежно генерируют излучение на краях платы. Такие выбросы иногда называют краевыми полями. Их можно уменьшить, если сделать так, чтобы медь слоя земли перекрывала медь слоя питания.
 |  |
| Рис. 2. а) правило 20 H | Рис. 2. б) уменьшение краевых полей |
Рис. 2. а) правило 20 H; б) уменьшение краевых полей
Уменьшение перекрестных помех: правило 3W
Перекрестные помехи обусловлены емкостной связью между проводниками. Такая связь возникает, когда высокочастотная дорожка идет параллельно чувствительной дорожке. Перекрестный поток и емкостная связь могут быть уменьшены на 70%, если расстояние между центрами дорожек составляет 3 W, где W – ширина дорожек. В этом случае паразитный поток дорожки замыкается на плоскости земли, а не на соседних дорожках (рис 3).
Защитные дорожки в многослойных печатных платах
Проводники, по которым передаются высокочастотные сигналы, например, линии тактирования, могут создавать наводки на соседних дорожках, вывязывая джиттер, способный привести к проблемам в других частях схемы.
Это негативное воздействие может быть уменьшено за счет параллельных заземленных линий по обе стороны от такой шумной дорожки (рис. 4). Расстояние между дорожками должно отвечать правилу 3 W.
Рис. 4. Защитные дорожки земли
Защитная дорожка подключается к земле с обоих концов. Если ее длина слишком большая, следует выполнять подключение к плоскости земли в нескольких точках с шагом l/20, где l – минимальная длина волны сигнала.
Шунтирующие проводники в многослойных печатных платах
Шунтирующий проводник должен быть расположен непосредственно под высокочастотной дорожкой (рис. 4). Его нельзя подключать к земле.
Наилучшая защита от помех может быть получена при одновременном использовании заземленных защитных дорожек и шунтирующих линий. Причем первые обеспечивают защиту, замыкая на себя магнитные поля (показаны пунктирными линиями на рис. 4), а вторые обеспечивают замыкание линий электрического поля.
Слой отражения
Слой отражения представляет собой проводящий слой меди, расположенный под сигнальным слоем в непосредственной близости от него.
Слой отражения обеспечивает низкоимпедансный путь для ВЧ-токов и уменьшает уровень помех, поскольку ВЧ-токи распространяются по нему, а не по воздуху. Слои питания и земли обычно ведут себя как плоскости отражения, хотя для этих целей могут быть предусмотрены отдельные слои.
Индуктивность переходных отверстий
Каждое переходное отверстие вносит дополнительную индуктивность 1 нГн и емкость до 0,5 пФ. На рис. 5 показана эквивалентная схема переходного отверстия. Она состоит из последовательной индуктивности и шунтирующего конденсатора и, следовательно, представляет собой фильтр нижних частот. В итоге переходное отверстие вызывает задержку сигнала и ограничивает максимальную частоту. Очевидно, что при разводке количество переходных отверстий должно быть сведено к минимуму.
Рис. 5. Эквивалентная схема переходного отверстия
Слои земли и питания
Сплошной медный слой для цепей питания и земли, по сути, представляет собой бесконечное число параллельных путей протекания тока и, следовательно, обеспечивает минимально возможную индуктивность. На высоких частотах в сплошных слоях также начинает проявляться скин-эффект, вызывая увеличение резистивной части импеданса.
Плоскость обеспечивает максимальную площадь поверхности и наименьшее возможное сопротивление. Таким образом, сплошной слой земли является самым экономичным способом для снижения импеданса и решения большинства проблем ЭМС.
Функции слоя земли
Сплошной слой земли выполняет следующие функции по обеспечению ЭМС и целостности сигналов:
Размер плоскости земли
Размер плоскости земли должен быть таким, чтобы она не только перекрывала все компоненты и проводники, но и располагалась за их пределами и занимала как можно большую часть печатной платы. Это связано с тем, что хотя прямые токи вынуждены протекать по дорожкам, но возвратные токи, проходящие через плоскость под дорожкой, могут распространяться по любому пути с наименьшим импедансом. Таким образом, плоскость земли должна перекрывать все проводники, причем расстояние от края дорожки до края плоскости земли должно в три раза превышать расстояние между сигнальным слоем и слоем земли или быть в три раза больше ширины дорожки (рис. 6).
Рис. 6. Размеры плоскости земли
Отверстия и разрывы в плоскости земли
Слои земли должны иметь минимум разрывов. В реальных приложениях это практически невозможно, поскольку на плате присутствуют переходные отверстия и связанные с ними зазоры. Наличие отверстий приводит к росту индуктивности земли. Оптимизация разводки может улучшить ситуацию. Во-первых, следует ограничить число переходов между слоями. Во-вторых, уменьшить размеры переходных отверстий (