Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов. Часть 3

В данной статье мы завершаем обзор особенностей проектирования печатных плат с высокоскоростными интерфейсами, начатый в в публикуемых ранее частях 1 и 2
959
В избранное

В данной статье мы завершаем обзор особенностей проектирования печатных плат с высокоскоростными интерфейсами, начатый в публикуемых ранее частях 1 и 2:

Требования к трассировке высокоскоростных интерфейсов

Каждый интерфейс предъявляет конкретные требования к трассировке сигналов на печатной плате. В данной статье представлен обзор наиболее популярных высокоскоростных интерфейсов, которые можно найти в современных электронных устройствах. Предложенная информация является ориентировочной, для уточнения конкретных деталей следует обращаться к соответствующим стандартам.

Различают два основных параметра согласования длин дифференциальных пар. Первый параметр касается согласования длин проводников внутри одной дифференциальной пары. Он определяет максимальную разницу между длиной проводников прямого и инвертированного сигнала. Как было показано в предыдущей части статьи «Проектирование печатных плат для высокоскоростных интерфейсов. Часть 2», необходимо согласовывать не только полную длину линий дифференциальной пары, но и длины отдельных сегментов. Крайне важно, чтобы распространение прямого и инвертированного сигналов происходило максимально синхронно. Только в этом случае происходит компенсация создаваемых ими электромагнитных полей и минимизация генерируемого шума.

Второй параметр касается согласования длин разных дифференциальных пар и определяет максимальное различие между длинами линии тактирования и линий данных либо между длинами других дифференциальных линий этого же интерфейса. Некоторые интерфейсы, например, PCIe, SATA и USB3.0, восстанавливают сигнал тактирования из сигналов данных. Следовательно, для них условие согласования длин проводников оказывается не столь жестким (например, 240 мм). В таких случаях не стоит слишком усердствовать при выравнивании длин дорожек, применение разводки в виде меандра может только добавить проблем. С другой стороны, есть интерфейсы, которые не имеют встроенной синхронизации (например, LVDS для ЖК-дисплеев). Трассировать такие интерфейсы нужно очень осторожно. При этом согласование длин проводников следует соблюдать достаточно жестко (например, 0,5 мм).

Как было показано в предыдущей части статьи, переходные отверстия создают разрыв импеданса и могут выступать в качестве неподключенных отводов. Поэтому при трассировке количество переходов должно быть минимальным. Конечно, в некоторых случаях без переходных отверстий обойтись не удается. По этой причине некоторые интерфейсы имеют ограничение по максимальному количеству переходов. В следующих разделах указывается ориентировочное количество переходных отверстий.

PCI Express

Интерфейс PCIe поддерживает инверсию полярности (таблица 1). Это означает, что прямой и инверсный сигналы дифференциальной пары можно менять местами, что зачастую помогает упростить компоновку печатной платы и избежать пересечения сигналов. Некоторые PCIe-устройства позволяют менять местами и отдельные дифференциальные линии.

Таблица 1. Требования к трассировке интерфейса PCIe

Параметр

Требование

Максимальная частота

Gen1: 1,25 ГГц (2,5 Гт/с); Gen2: 2,5 ГГц (5 Гт/с);Gen3: 4 ГГц (8 Гт/с)

Конфигурация/Организация связи

1 устройство

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

90 Ом ±15% дифференциальный; 50 Ом ±15% импеданс проводников

Максимальное рассогласование проводников дифференциальной пары

<1 пс ≈150 мкм

Максимальное рассогласование длины линии тактирования и данных

< 1,6 нс ≈ 240 мм

Максимальная длина проводников на материнской плате (от устройства)

< 300 мм

Максимальная длина проводников на материнской плате (разъем PCIe, плата PCIe Mini card)

< 200 мм

Минимальное расстояние между дифференциальными парами

> 500 мкм

Развязывающие конденсаторы

100 нФ ±20%, рекомендуется корпус 0402

Максимальное число переходных отверстий

2 для линий TX; 4 для линий RX (device-down); 2 для линий RX (PCIe slot connector, PCIe Mini card)

SATA

Интерфейс SATA не поддерживает инверсию полярности (таблица 2). Это означает, что прямой и инверсный сигналы дифференциальной пары менять местами нельзя.

Таблица 2. Требования к трассировке интерфейса SATA

Параметр

Требование

Максимальная частота

SATA I: 750 МГц (1,5 Гт/с); SATA II: 1,5 ГГц (3 Гт/с); SATA III: 3 ГГц (6 Гт/с)

Конфигурация/Организация связи

1 устройство

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

90 Ом ±15% дифференциальный; 55 Ом ±15% импеданс проводников

Максимальное рассогласование проводников дифференциальной пары

< 1 пс ≈ 150 мкм

Максимальное рассогласование длины линий данных

< 0,8 нс ≈ 120 мм

Максимальная длина проводников на материнской плате

< 150 мм

Минимальное расстояние между дифференциальными парами

> 500 мкм

Развязывающие конденсаторы

На материнской плате развязывающие конденсаторы не требуются

Максимальное число переходных отверстий

2 для линий RX и TX

Ethernet

MDI-сигналы Ethernet представляют собой аналоговые дифференциальные сигналы. Следует уделять повышенное внимание их трассировке (таблица 3). Постарайтесь, чтобы дорожки были как можно короче, и держите их подальше от цифровых линий. Старайтесь избегать любых отводов от проводников этих сигналов.

Таблица 3. Требования к трассировке интерфейса Ethernet

Параметр

Требование

Максимальная частота

10Base-T: 10 МГц (10 Мбит/с); 100Base-TX: 31,25 МГц (100 Мбит/с); 1000Base-T: 62,5 МГц (1 Гбит/с)

Конфигурация / Организация связи

1 устройство

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

90 Ом ±15% дифференциальный; 55 Ом ±15% импеданс проводников

Максимальное рассогласование проводников дифференциальной пары

< 1,6 пс ≈ 250 мкм

Максимальное рассогласование длины линий данных

< 330 пс ≈ 50 мм

Максимальная длина проводников на материнской плате от разъема до трансформаторов

< ~100 мм, обеспечение минимальной длины

Максимальная длина проводников на материнской плате от трансформаторов до Ethernet-разъема

Размещайте трансформаторы как можно ближе к Ethernet-разъему, чтобы уменьшить влияние помех и статики. Разделите землю под проводниками между трансформатором и Ethernet-разъемом. Ширина выреза должна быть не менее 2 мм

Минимальное расстояние между дифференциальными парами

> 450 мкм

Минимальное расстояние между MDI-сигналами и другими высокоскоростными сигналами

> 7,5 мм

Минимальное расстояние между MDI-сигналами и другими низкоскоростными сигналами

> 2,5 мм

Максимальное число переходных отверстий

2 для всех MDI-линий

Если вместо разъема RJ-45 Ethernet со встроенными трансформаторами используются дискретные трансформаторы, необходимо тщательно следить за трассировкой сигналов между трансформатором и разъемом. Эти сигналы отличаются высоким напряжением и должны быть изолированы от других линий. Для них следует выделить собственную плоскость заземления с зазором не менее 2 мм от других проводников и полигонов. Кроме того, отдельный полигон необходимо создать для экрана (рисунок 1). Попытайтесь поместить трансформаторы как можно ближе к разъему Ethernet, чтобы минимизировать длину проводников. 

Создание отдельной земли при использовании дискретных трансформаторов

Рис. 1. Создание отдельной земли при использовании дискретных трансформаторов

USB

Требования к трассировке USB-интерфейсов зависят от используемой версии (таблицы 4, 5). USB 2.0 имеет одну двунаправленную дифференциальную линию данных. Стандарт USB 3.0 вводит две дополнительные дифференциальные линии данных для Super Speed (рисунок 2). Эти линии работают со скоростью 5 Гбит/с и полностью совместимы с базовой спецификацией PCI Express версии 2.0.

Линии Super Speed поддерживают инверсию полярности. Это означает, что прямой и инверсный сигналы дифференциальной пары можно менять местами, что зачастую помогает упростить компоновку печатной платы и избежать пересечения сигналов. Однако не допускается менять местами линии передачи и приема.

Линии данных USB 2.0 не поддерживают инверсию полярности, то есть лини D+ и D- менять местами нельзя.

Схема подключения USB 3.0

Рис. 2. Схема подключения USB 3.0

 USB 2.0 

Таблица 4. Требования к трассировке интерфейса USB2.0

Параметр

Требование

Максимальная частота

Low Speed: 750 кГц (1,5 Мбит/с); Full Speed: 6 МГц (12 Мбит/с); High Speed 240 МГц (480 Мбит/с)

Конфигурация/Организация связи

1 устройство (10 пФ High Speed, 150 пФ Full Speed, 600 пФ Low Speed)

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

90 Ом ±15% дифференциальный; 50 Ом ±15% импеданс проводников

Максимальное рассогласование проводников дифференциальной пары

< 7,5 пс ≈ 1,1 мм

Максимальная длина проводников на материнской плате

< 200 мм

Развязывающие конденсаторы

Развязывающие конденсаторы не допускаются

Максимальное число переходных отверстий

Требуется использовать как можно меньше переходных отверстий

 USB 3.0

 Таблица 5. Требования к трассировке интерфейса USB3.0

Параметр

Требование

Максимальная частота

Super Speed: 2,5 ГГц (5 Гт/с)

Конфигурация/Организация связи

1 устройство

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

90 Ом ±15% дифференциальный; 50 Ом ±15% импеданс проводников

Максимальное рассогласование проводников дифференциальной пары

< 1 пс ≈ 150 мкм

Максимальное рассогласование длины линий RX и TX

< 1,6 нс ≈ 240 мм

Максимальная длина проводников на материнской плате

< 200 мм

Минимальное расстояние между дифференциальными парами

> 500 мкм

Развязывающие конденсаторы

100 нФ ±20%, рекомендуется корпус 0402

Максимальное число переходных отверстий

2 для линий TX; 4 для линий RX (device-down); 2 для линий RX (PCIe slot connector, PCIe Mini card)

Параллельный RGB-интерфейс для ЖК-дисплеев

При использовании параллельного RGB-интерфейса требования к трассировке зависят от частоты вывода пикселей и, следовательно, от применяемого разрешения экрана. Требования, приведенные в таблице 6, могут быть не такими жесткими, если используются малые разрешения, такие, например, как VGA 640x480. Максимальная длина проводников ограничивается вследствие неизбежной генерации электромагнитных помех при передаче множества параллельных высокоскоростных сигналов. При этом, с точки зрения таймингов, длина проводников ограничений не имеет.

Таблица 6. Требования к трассировке интерфейса RGB для ЖК-дисплеев

Параметр

Требование

Максимальная частота

Зависит от максимального разрешения модуля (например,162 МГц для VESA 1600x1200@60 Гц)

Конфигурация/Организация связи

1 устройство (несколько устройств возможно при меньших разрешениях)

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

50 Ом ±15%

Максимальное рассогласование длины линии тактирования и данных

< 100 пс ≈ 15 мм, зависит от частоты тактирования, требования могут быть смягчены при использовании меньших разрешений

Максимальная длина проводников с учетом длины кабеля

< 100 мм (большая длина рекомендуется только при малых разрешениях)

Максимальная длина проводников на материнской плате

< 50 мм

LVDS-интерфейс для ЖК-дисплеев

Сигналы данных LVDS-интерфейса, применяемого в ЖК-дисплеях, не имеют встроенной синхронизации (таблица 7). Поэтому согласование длин проводников тактирования и данных является крайне важным. Точность согласования зависит от разрешения дисплея.

Таблица 7. Требования к трассировке интерфейса LVDS

Параметр

Требование

Максимальная частота

Зависит от максимального разрешения модуля. Максимальная частота в 7 раз выше, чем частота в одноканальном режиме

Конфигурация/Организация связи

1 устройство

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

90 Ом ±15% дифференциальный; 55 Ом ±15% импеданс проводников

Максимальное рассогласование проводников дифференциальной пары

< 1 пс ≈ 150 мкм

Максимальное рассогласование длины линии тактирования и данных

< 3,5 пс ≈  500 мкм, зависит частоты LVDS. Требования могут быть смягчены при использовании меньших разрешений

Максимальная длина проводников с учетом длины кабеля

< 500 мм

Минимальное расстояние между дифференциальными парами

В 2 раза больше, чем расстояние между проводниками дифференциальных линий

Максимальное число переходных отверстий

Требуется использовать как можно меньше переходных отверстий

HDMI/DVI

Поскольку внешние HDMI- и DVI-кабели могут быть досочно длинными, желательно обеспечить минимальное рассогласование длин печатных проводников (таблица 8). Это может помочь уменьшить электромагнитные выбросы.

Таблица 8. Требования к трассировке интерфейса HDMI/DVI

Параметр

Требование

Максимальная частота

Version 1.0-1.2a: 825 МГц (165 МГц pixel clock); Version 1.3-1.4: 1,65 ГГц (340 МГц pixel clock)

Конфигурация/Организация связи

1 устройство

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

90 Ом ±15% дифференциальный; 50 Ом ±15% импеданс проводников

Максимальное рассогласование проводников дифференциальной пары

< 5 пс ≈ 750 мкм

Максимальное рассогласование длины линии тактирования и данных

< 150 пс ≈ 22 мм

Максимальная длина проводников на материнской плате

< 250 мм

Минимальное расстояние между дифференциальными парами

> 500 мкм

Максимальное число переходных отверстий

Требуется использовать как можно меньше переходных отверстий

Аналоговый VGA-интерфейс

Требования к трассировке интерфейса VGA приведены в таблице 9. Согласование импеданса при работе с этим интерфейсом показано на рисунке 3.

Таблица 9. Требования к трассировке интерфейса VGA

Параметр

Требование

Максимальная частота

Зависит от максимального разрешения, до 388 МГц для 2048x1536@85 Гц

Конфигурация/Организация связи

1 устройство

Опорный слой

AGND или GND (если GND, то не следует избегать пересечения цифровыми линиями слоя земли)

Импеданс

50 Ом ±15% в секции B; 75 Ом ±15% в секции C (если невозможно обеспечить 75 Ом, следует использовать 50 Ом и минимизировать длину дорожек)

Минимальное рассогласование между аналоговыми линиями RGB

Старайтесь сделать длины линий максимально согласованными

Максимальная длина проводников на материнской плате, секция B

< 200 мм (допускается и большая длина, но при идеальном выполнении трассировки)

Максимальная длина проводников на материнской плате, секция C

< 15 мм (стройтесь добиться минимальной длины секции C)

Минимальное расстояние между линиями цветов

> 350 мкм

Минимальное расстояние между линиями цветов и другими проводниками

> 500 мкм от низкочастотных сигналов; > 1,25 мм от сигналов тактирования с силовыми линиями; > 6 мм от областей с импульсными сильноточными сигналами

Максимальное число переходных отверстий

Требуется использовать как можно меньше переходных отверстий

Согласование импеданса при работе с интерфейсом VGA

Рис. 3. Согласование импеданса при работе с интерфейсом VGA

Параллельный интерфейс камеры (Parallel Camera Interface)

При использовании параллельного интерфейса камеры требования к трассировке сигналов зависят от скорости вывода пикселей и, следовательно, от применяемого разрешения камеры и частоты кадров. Требования, приведенные в таблице 10, могут быть менее жесткими при работе с малыми разрешениями, такими, например, как VGA 640x480 @ 30 Гц. Максимальная длина проводников ограничивается вследствие генерации электромагнитных помех. При этом с точки зрения таймингов длина проводников ограничений не имеет.

Таблица 10. Требования к трассировке при параллельном интерфейсе камеры

Параметр

Требование

Максимальная частота

Зависит от максимального разрешения камеры и частоты кадров

Конфигурация/Организация связи

1 устройство

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

50 Ом ±15%

Максимальное рассогласование длины линии тактирования и данных

< 100 пс ≈ 15 мм, зависит от частоты тактирования. Требования могут быть смягчены при использовании меньших разрешений

Максимальная длина проводников

< 50 мм

SD/MMC/SDIO

Требования к трассировке интерфейса SD/MMC/SDIO приведены в таблице 11.

Таблица 11. Требования к трассировке интерфейса SD/MMC/SDIO

Параметр

Требование

Максимальная частота

208 МГц (Ultra-High Speed SD, SDR104); 52 МГц (MMCplus, eMMC)

Конфигурация/Организация связи

1 устройство

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

50 Ом ±15%

Максимальное рассогласование длины линии тактирования и данных 52 МГц MMC

< 100 пс ≈ 15 мм

Максимальное рассогласование длины линии тактирования и данных SDR104

< 20 пс ≈ 3 мм

Максимальная длина проводников

< 100 мм

I2C

При работе с I²C-интерфейсом не требуется трассировать шину как дифференциальную пару, однако не следует также располагать линии слишком далеко друг от друга (таблица 12). В данном случае наличие отводов не является проблемой, поэтому не обязательно соединять все устройства последовательно. Максимальная длина трассы ограничена суммарной емкостью проводников и подключенных к шине устройств. В общем случае при трассировке I²C рекомендуется использовать проводники минимальной длины и топологию типа звезда.

Таблица 12. Требования к трассировке интерфейса I2C

Параметр

Требование

Максимальная частота

100 кГц (Standard Mode); 400 кГц (Fast Mode)

Конфигурация/Организация связи

Множество узлов на линии, 400 пФ (Standard Mode), 100 пФ (Fast Mode)

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - объединительные конденсаторы не требуются)

Импеданс

50 Ом ±15%

Максимальная длина проводников(Standard Mode)

< 450 мм (ограничено емкостной нагрузкой)

Максимальная длина проводников (Fast Mode)

< 200 мм (ограничено емкостной нагрузкой)

MIPI/DSI с D-PHY

Требования к трассировке интерфейса MIPI/DSI приведены в таблице 13.

Таблица 13. Требования к трассировке интерфейса DSI

Параметр

Требование

Максимальная частота

500 МГц (каждая линия данных 1 Гт/с)

Конфигурация/Организация связи

1 устройство

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

90 Ом ±15% дифференциальный; 50 Ом ±15% импеданс проводников

Максимальное рассогласование проводников дифференциальной пары

< 1 пс ≈ 150 мкм

Максимальное рассогласование длины линии тактирования и данных

< 10 пс ≈ 1,5 мм

Максимальная длина проводников

200 мм

Максимальное число переходных отверстий

Требуется использовать как можно меньше переходных отверстий

MIPI/CSI-2 с D-PHY

Требования к трассировке интерфейса MIPI/ CSI-2  приведены в таблице 14.

Таблица 14. Требования к трассировке интерфейса CSI-2

Параметр

Требование

Максимальная частота

500 МГц (каждая линия данных 1 Гт/с)

Конфигурация/Организация связи

1 устройство

Опорный слой

GND или PWR (если PWR - необходимо добавить конденсатор 10 нФ между PWR и GND на обоих концах интерфейса)

Импеданс

90 Ом ±15% дифференциальный; 50 Ом ±15% импеданс проводников

Максимальное рассогласование проводников дифференциальной пары

< 1 пс ≈ 150 мкм

Максимальное рассогласование длины линии тактирования и данных

< 10 пс ≈ 1,5 мм

Максимальная длина проводников

200 мм

Максимальное число переходных отверстий

Требуется использовать как можно меньше переходных отверстий

 

Журнал: https://docs.toradex.com

Сравнение позиций

  • ()