Андрей Трундов - Высокоскоростные печатные платы. Примеры применения правил сохранения целостности электрических сигналов и электропитания

С учетом выходного сопротивления источника сигнала (для упрощения расчета принимается равным 10 Ом), выходной емкости источника сигнала (принимается равной 10 пФ), входной емкости приемника сигнала (принимается равной 10 пФ) получим значение частоты среза

Fср = 1/2𝜋RC = 530 МГц

Для расширения полосы частот линии передачи производители микросхем стремятся уменьшить емкости передатчика и приемника сигнала до минимально возможных значений.

При минимальных значениях емкостей передатчика и приемника определяющим для получения максимальной полосы пропускания линии передачи становится собственное значение емкости линии, которое в большей степени зависит от длины линии передачи. В примере оно равно 12 пФ для длины 10 см при заданной ширине проводника 0,5 мм и толщине диэлектрика 100 мкм.

Для указанных параметров получим

Fср = 1/2𝜋RC = 1327 МГц

Таким образом, можно определить примерные границы полосы пропускания однородной микрополосковой линии передачи длиной 10 см, которые составляют 500 – 1500 МГц.

Для полосковой линии передачи с меньшим значением скорости распространения электромагнитной волны из-за большего значения потерь в диэлектрике верхние значения частот полосы пропускания будут ниже, определенных ранее. Чем выше потери энергии сигнала в диэлектрике, тем ниже частота среза амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

Для линии передачи с высокочастотным диэлектриком со значением электрической проницаемости близким к единице скорость распространения электромагнитной волны может приблизиться к скорости света. В результате верхняя граница полосы частот для аналогичной линии передачи длиной 10 см может достигнуть значения 2500 МГц.

Таким образом для выбранной линии передачи верхняя граница полосы частот может изменяться от 500 до 2500 МГц в зависимости от типа диэлектрика и типа конструкции синфазной линии передачи.

с гарантией прохождения в полосе пропускания до 5 гармоники основного сигнала включительно ограничена значением

F меандр max= 500 МГц/5 = 100 МГц (для полосы частот 500 МГц)

F меандр max= 1500 МГц/5 = 300 МГц (для полосы частот 1500 МГц)

F меандр max= 2500 МГц/5 = 500 МГц (для полосы частот 2500 МГц)

То есть, передача меандра (или периодической последовательности импульсов) с частотой выше 300 МГц при организации микрополосковой линии передачи с диэлектриком FR-4 длиной 10 см становится практически невозможна.

Для кратного увеличения частоты передаваемого сигнала следует кратно уменьшить емкость линии передачи, а значит – ее длину.

При рассмотрении неоднородной линии передачи важно помнить, что в случае использования метода последовательного согласования установка в линию последовательных согласующих резисторов серьезно ограничит полосу пропускания и частоту периодической последовательности импульсов.

Поэтому максимальное внимание должно быть уделено обеспечению однородности линии передачи.

Для еще большего увеличения частоты передаваемых сигналов применяются дифференциальные стандарты и интерфейсы.

Во-первых, они обеспечивают значительно лучшую помехоустойчивость по сравнению с синфазными линиями передачи.

Во-вторых, размах напряжения на входе приемника в дифференциальных интерфейсах может быть в несколько раз ниже по сравнению с размахом сигнала на выходе передатчика.

Например, для стандарта LVDS, размах напряжения на выходе дифференциального драйвера может достигать 600 мВ. При этом размах сигнала на входе дифференциального приемника не должен быть ниже 100 мВ, что допускает ослабление исходного сигнала до шести раз. Учитывая спад АЧХ RC фильтра нижних частот первого порядка, равный -20дБ/декада (в 10 раз при изменении частоты в 10 раз), можно оценить, что при частоте среза АЧХ с границами 500—1500 МГц по уровню -3дБ линия передачи может пропускать полосу частот до значения около 10 ГГц с заданным ослаблением -15дБ (в 6 раз).

определяется из выражения

F верх.= 0,35/t нар/сп

и составит:

– 660 пс (для полосы пропускания с верхней границей на частоте 500 МГц) – стандартный FR-4, длина линии передачи 10 см,

– 230 пс (для полосы пропускания с верхней границей на частоте 1500 МГц) – высококачественный диэлектрик с меньшими потерями,

– 140 пс (для полосы пропускания с верхней границей на частоте 2500 МГц) – стандартный FR-4 – длина линии передачи уменьшена до 2 см.