При проектировании высокоскоростных интерфейсов на печатной плате важно рассчитывать параметры линий передачи с высокой точностью. Одним из таких интерфейсов является USB 3.1, у которого скорость передачи данных достигает 10 Гбит/с. На таких скоростях несогласованность импеданса может критически повлиять на целостность сигнала, что приведёт к некорректной работе всего устройства.
В статье подробно рассматривается процесс вычисления параметров линии передачи с контролируемым дифференциальным волновым сопротивлением для интерфейса USB 3.1 в САПР SimPCB Lite. Расчёт ослабления сигнала и перекрёстных помех применительно к USB 3.1 будет рассмотрен в следующих статьях.
USB 3.1 использует две дифференциальные пары (TX и RX), по которым передаются данные со скоростью до 10 Гбит/с. Основные требования и рекомендации на трассировку и компоновку данного интерфейса изложены ниже [1, 2, 3].
- Импеданс дифференциальной пары. Волновое сопротивление должно составлять 90 Ом. Допускается отклонение в пределах десяти процентов.
- Трассировка и количество переходных отверстий. Не допускается в трассировке наличие прямых углов. Количество переходных отверстий минимальное: на одну линию не более двух.
- Перекрёстные помехи. Для минимизации помех расстояние от любых сигналов до проводника дифф. пары должно составлять не менее 5W, где W – ширина проводника дифф. пары. В случае плотной трассировки и невозможности обеспечения указанного выше значения применять моделирование. Минимизировать расстояние между сигнальным и опорным слоем. Избегать размещения трасс под источниками помех (кристаллы, DC-DC, PLL).
- Длина проводников в паре. Разница в длине проводников не должна превышать 0,127 мм. Обеспечить равномерную ширину и зазор по всей длине дифференциальной пары.
- Возвратный путь сигнала. Следует избегать разрывов в опорном слое под дифференциальной парой.
- Размещение конденсаторов. Конденсаторы на сигнальных линиях следует располагать как можно ближе к разъёму USB.
- Устанавливать TVS-диоды или ESD-защиту ближе к USB-разъёму.
- Ферриты или индуктивности. Данные типы компонентов не должны стоять в сигнальных линиях Super Speed (TX/RX).
Как правило, для данного интерфейса USB 3.1 на печатной плате реализуются дифференциальные микрополосковые или дифференциальные полосковые линии передачи. Возможны также варианты и с копланарными структурами.
В данной статье рассматривается микрополосковая дифференциальная линия передачи.
Параметры линий передачи, в том числе и геометрические, во многом зависят от применяемых материалов в структуре печатной платы. Выбор материала зависит от многих факторов, а именно: типа платы, условий эксплуатации, применяемых компонентов, способа монтажа, максимальной частоты сигналов, значения волнового сопротивления, типов переходных отверстий, максимального тока в устройстве и допустимой толщины платы и т.д.
Для высокоскоростных интерфейсов следует использовать специальные материалы из категории High Speed. Как правило, они имеют низкую диэлектрическую проницаемость, малый тангенс угла диэлектрических потерь и стабильность свойств в широком диапазоне частот. Такие материалы предлагает компания ООО «РЕЗОНИТ».
Дифференциальная пара размещается на внешнем слое. Пусть между сигнальным слоем и опорным располагается препрег. Такой вариант структуры многослойной печатной платы относится к типовым. Параметры препрега взяты с сайта компании ООО «РЕЗОНИТ» и представлены на рис. 1. Данные препреги выполнены на основе материала TU-872 компании TUC [4].
В разрабатываемой конструкции применим два препрега 2 × 0,076 с диэлектрической проницаемостью Er (Dk) = 3,5. Данная комбинация проста в изготовлении и довольно часто используется на практике. При необходимости, в зависимости от решаемой задачи и возможностей производства, количество и тип препрегов могут отличаться от представленного выше.
В САПР SimPCB Lite задаются следующие входные параметры, приведённые в табл. 1.
Также необходимо изменить режим расчёта на вариант Сохранить новый расчёт. В этом случае после нажатия на кнопку Рассчитать расчёт будет сохраняться в панели Проекты.
При данных, указанных в табл. 1, дифференциальное волновое сопротивление составит Zdiff = 108,11 Ом. Кроме волнового сопротивления программа рассчитывает задержку, ёмкость, индуктивность, скорость распространения сигнала и эффективную диэлектрическую проницаемость (рис. 2).
Полученный результат не удовлетворяет требованиям данного интерфейса, так как импеданс значительно превышает 90 Ом.
Параметры материалов, геометрические и электрофизические, являются константами в нашем примере, поэтому влиять на волновое сопротивление возможно только через S1 и W1, W2. Изменим S1: пусть зазор между проводниками составляет 0,15 мм, тогда Zdiff = 101,22 Ом. Значение сопротивления стало ближе к необходимому, но всё же не удовлетворяет требованию (рис. 3).
Далее вычислим в SimPCB Lite ширину проводника дифференциальной пары под волновое сопротивление 90 Ом. Для этого следует переключить радиокнопку на параметр W1. В поле Zdiff нужно ввести 90 Ом и нажать кнопку Рассчитать. В итоге ширина проводника получается 0,23 мм.
Таким образом, при ширине проводника 0,23 мм и зазоре между проводниками 0,15 мм волновое сопротивление для данной конструкции составит Zdiff = 89,97 Ом. Если отсутствуют какие-либо дополнительные ограничения, то требования по импедансу можно считать выполненными (90 Ом ±10%) (рис. 4).
Для быстродействующих интерфейсов рекомендуется дополнительно проводить частотный анализ. С его помощью можно оценить зависимость волнового сопротивления от частоты и вычислить множество дополнительных величин, влияющих на качество сигнала. САПР SimPCB Lite позволяет провести такой анализ. Для его выполнения в программе следует изменить тип расчёта на Частотный анализ и ввести данные в Дополнительные параметры. Пусть они будут иметь следующие значения (рис. 5).
Параметр Fc (частота) меняется от 100 МГц до 11 ГГц с шагом 100 МГц. Результат расчёта представлен на рис. 6.
Видно, что волновое сопротивление уменьшается с увеличением частоты. Так, для 100 МГц оно составляет 92,113 Ом, а для 10 ГГц – 89,93 Ом. Такое поведение обусловлено учётом двух дополнительных первичных параметров (активное сопротивление и проводимость диэлектрика), а также влиянием частоты на значение индуктивности. Полученный интервал дифференциального волнового сопротивления линий передачи (89,93…92,113 Ом) в широком диапазоне частот (100 МГц…10 ГГц) также полностью удовлетворяет требованиям к высокоскоростному интерфейсу USB 3.1.
При проектировании линий передачи для определения их геометрических параметров и электрофизических свойств под конкретное значение волнового сопротивления в значительном количестве случаев достаточно использовать только расчёт без учёта потерь. Для получения более детальной информации о линии необходимо выполнять частотный анализ. С его помощью специалист получит значения всех четырёх первичных параметров (ёмкость, индуктивность, активное сопротивление, проводимость диэлектрика) и точное значение импеданса на конкретной частоте.
Литература
- Universal Serial Bus 3.1 Specification, 2013.
- High-Speed Interface Layout Guidelines. Texas Instruments. 2023.
- AN222944. EZ-USB HX3PD Hardware Design Guidelines and Checklist. Infineon Technologies.
- Сайт компании «РЕЗОНИТ». Материалы для производства печатных плат. URL: https://www.rezonit.ru/directory/v-pomoshch-konstruktoru/materialy-dlya-proizvodstva-pechatnykh-plat... (дата обращения: 15.05.2025).
- Сайт компании TUC. URL: https://www.tuc.com.tw/en-us/products-detail/id/2 (дата обращения: 15.05.2025).
© СТА-ПРЕСС, 2025
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
