Предисловие
Ошибка на каждом этапе проектирования и производства электронной аппаратуры значительно увеличивает конечную стоимость опытных образцов, серийных изделий. При разработке высокоскоростных электрических схем ошибка часто бывает связана с недооценкой задачи сохранения целостности электрических сигналов (SI – signal integrity) и электропитания (PI – power integrity).
За рубежом решением этой задачи начали заниматься еще в 70—80 гг. прошлого века, что позволило перейти от громоздких параллельных шин данных к высокоскоростным последовательным интерфейсам. Благодаря этому появилось цифровое телевидение, интернет, спутниковая телефония.
В нашей стране c большой задержкой 1 марта 2015 г был введен межгосударственный стандарт ГОСТ IEC 61188-1-2-2013 «Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение» (перевод международного стандарта IEC 61188-1-2:1998), в котором внимание разработчиков было обращено на требования, предъявляемые электронной промышленностью к разработке высокоскоростных печатных плат и систем с учетом тенденции повышения скорости передачи данных в современных интерфейсах.
Введение
За время работы инженером-схемотехником я попытался структурировать предложенные в литературе [1—10] и собственные практические знания, касающихся сохранения целостности электрических сигналов и повышения качества систем передачи информации, разработать методики и правила, которые позволяют оптимально решить инженерные задачи.
Подтверждением правильности теоретических предположений и практических выводов являются результаты моделирования, полученные в среде HyperLynx компании Mentor (A Siemens Business), которыми сопровождаются все примеры, представленные в этой и других моих книгах.
Благодарю руководство и сотрудников компаний Cadence и Mentor (A Siemens Business) за предложение поближе познакомиться с их программными пакетами Sigrity и Hyperlynx (SI/PI, Thermal), за ценные советы и информацию по применению продуктов, а также возможность их временного бесплатного использования.
Одной из задач, которую решает разработчик системы передачи данных, является обеспечение формы, уровней и временных параметров сигналов на входе приемников в соответствии с требованиями стандартов и интерфейсов. При прохождении через среду распространения, линии передачи печатных плат, кабели, соединители происходит перераспределение энергии спектральных составляющих сигнала, в результате чего его частотные, амплитудные или временные характеристики могут быть искажены. Минимизировать эти искажения и означает – успешно решить задачу сохранения целостности электрических сигналов.
Дополнительно разработчик должен решить задачу сохранения целостности электропитания, которая заключается в обеспечении необходимых уровней напряжений и токов на всех элементах нагрузок, равномерности и монотонности характеристики зависимости импеданса цепей питания от частоты, уменьшении влияния дребезга земли на уровни сигналов и пороги срабатывания приемников, обеспечении низких уровней излучений и стойкости к воздействию внешних факторов. Только одновременное выполнение указанных условий позволит получить отличные электрические и электромагнитные характеристики систем передачи информации.
Сохранение целостности электрических сигналов и питания
Система передачи информации
Типовая схема системы передачи информации состоит из передатчика или источника данных, среды передачи и приемника данных.
Источником данных являются драйверы микросхем, работающие в соответствии с определенными стандартами. Физический уровень интерфейсов определяет тип схемы выходного каскада (двухтактный, с открытым стоком и др.). Различают ТТЛ, КМОП, ЭСЛ, GaAs и другие стандарты интерфейсов. Важными параметрами источника сигнала являются его форма, уровни напряжений (как синфазных, так и дифференциальных), выходное сопротивление передатчика, выходная емкость, уровень выходного тока, полоса передаваемых частот.
Характеристики приемников сигналов также определены в стандартах и требованиях интерфейсов. Наиболее важными из них являются входное сопротивление, входная емкость, уровни син