Моделирование дифференциальной пары на печатной плате

Ключевые слова: дифференциальная пара, печатная плата, вносимые потери, скорость передачи данных.

С ростом объёмов обрабатываемой и передаваемой информации становится всё более актуальной проблема высокоскоростной передачи данных. Высокоскоростная передача данных, как правило, предполагает наличие между узлами линии передач соединения с высокой пропускной способностью [1]. Высокой пропускной способностью обладают дифференциальные пары на печатных платах.

В дифференциальной паре два сигнала передаются одновременно по двум проводникам, но с противоположными направлениями тока или фазы.

В данной статье рассматривается моделирование составной части высокоскоростного соединителя АО «РАДИАНТ-ЭК». Составная часть представляет собой печатную плату с двумя дифференциальными парами для передачи сигнала со скоростью до 10 Гбит/с (рис. 1) на каждую пару. Разрабатываемый отечественный соединитель является полным аналогом и предназначен для замены импортного модульного соединителя серии MultiGig RT2 фирмы «TycoElectronics» (США), который представлен на рис. 2. [2]

Рис. 1. Печатная плата с дифференциальными парами

Рис. 2. MultiGig RT2

Печатная плата представляет из себя двухслойный ламинат, с дифференциальными парами на верхнем слое, на нижнем – земляной полигон (рис. 3). Материал платы подобран таким образом, чтобы удовлетворить конструктивные особенности (толщина платы играет огромную роль в сборке высокоскоростного соединителя, а также обеспечение скорости передачи данных.) Плата имеют в своем составе краевые разъемы, покрытые жестким золотом, что позволяет продлить срок службы. Толщина платы 0,32 мм. (рис. 4)

Рис. 3. Верхний и нижний слой печатной платы

Рис. 4. Слои печатной платы

Согласование по импедансу

В системах высокоскоростной передачи данных стандартной практикой является использование соединителей, согласованных по импедансу. Это необходимо для минимизации отражений сигнала, точной передачи его амплитуды и максимизации мощности на принимающей стороне. Важно поддерживать волновое сопротивление линии передачи, включающим в себя дифференциальные пары, близким к 100 Ом для обеспечения целостности передаваемого сигнала. Несоответствие данному требованию приводит к неоднородности в тракте передачи, что вызывает искажения сигнала в линии.

Моделирование волнового сопротивления (импеданса) дифференциальной пары можно проводить в САПР CST Studio Suite.

В представленном изделии имеется двухсторонняя печатная плата с дифференциальными парами на верхнем слое.

Для расчета волнового сопротивления необходимо задать:

1. Слой, по которому будет проходить сигнал.

2. Материал платы, который необходимо подгрузить с САПР, где была оттрассирована печатная плата.

3. Ширину печатных проводников и зазор между проводниками, которые входят в состав дифференциальной пары.

По результатам расчета получаем волновое сопротивление (импеданс) Z_Differential = 96,86 (рис.5). Для диффренциальных пар импеданс линии передачи должен близким к 100 Ом для обеспечения целостности передаваемого сигнала.

В представленном случае, когда имеется неоднородность в виде разной ширины краевых разъемов и дифференциальных печатных проводников, волновое сопротивление можно считать допустимым. Плюс ко всему, изготовители печатных плат дают допуск на импеданс равным ±10%.

Рис. 5. Импеданс дифференциальной пары

Скорость передачи данных

Скорость передачи данных — это количество информации (в битах или байтах), которое может быть передано через сеть или канал связи за определенное время.

В представленной печатной плате скорость передачи данных 10 Гбит/с должна обеспечивать одна дифференциальная пара. Моделировать измерение скорости передачи данных необходимо косвенным путем через вносимые потери и полосу пропускания сигнала.

Важно установить взаимосвязь между полосой пропускания канала ∆F и скоростью передачи данных. В 1928 г. американский физик Г. Найквист доказал, что в идеальном канале (без шумов) с полосой ∆F (Гц) можно передавать информацию со скоростью в два раза большей, т.е.

C0=2∆F,бит/с.

Так, например, канал с частотой пропускания в 6 кГц не может передавать двоичные (то есть двухуровневые) сигналы на скорости, превосходящей 12000 Кбит/с.[3]

Если взять за основу, что 1 дБ вносимых потерь это сигнал практически без шумов, то можно использовать данную формулу для того, чтобы получить сигнал со скоростью 10 Гбит/с. Для этого необходимо получить график вносимых потерь по уровню 1 дБ на частотах свыше
5 ГГц.

В CST Studio Suite можно провести моделирование вносимых потерь для оценки скорости передачи данных.

Для этого необходимо подгрузить печатную плату и выставить компоненты, для того чтобы установить порты запуска и приема сигнала.

Рис. 6. Компоненты и печатные проводники

Для линий связи (nets с названиями NONE) необходимо задать параметры дифференциальной пары. И создать 2 компонента, размещая их таким образом, чтобы контактные площадки были на этих дифференциальных парах. (см. рис.6)

Рис. 7. Печатная плата с расположенными компонентами

Компоненты имеет параметры устройства ввода и вывода (I/O Device -Input/Output Device). Контактные площадки (Component-1 и 2) привязываются к дорожкам (NONE_4 и _5) (рис.7)

Рис. 8. Редактор компонента

Компонент создается так, чтобы его pin привязывались к необходимым печатным проводникам (component-1 привязывается к проводнику NONE_4 и обозначается как дифференциальный пин №2) (см.рис.8).

В итоге получается схема расчета (рис.9), которая учитывает все необходимые факторы: материал, топологию печатной платы, точки подключения к краевым разъемам.

Рис. 9. Схема расчета

Моделирование вносимых потерь проводится в вычислителе в частотной области (FD).

CST поддерживает целый набор частотных вычислителей, специализирующихся на различных классах задач. Они отличаются не только численными методами решения, но и типом расчетной сетки. Вычислители в частотной области общего назначения могут работать как на гексагональном, так и на тетрагональном сеточном разбиении.

Создание сетки является одним из важных этапов при использовании метода конечных элементов для моделирования. Сетка состоит из элементов, каждый из которых имеет узлы с определенными координатами в пространстве. Эти элементы формируют геометрию модели. Для правильной работы сетки в решателе конечных элементов необходимо использовать элементы с заданными формами, например, кубы. Процесс создания сетки заключается в преобразовании неправильных форм в более правильные элементы.

Вычислитель в частотной области решает задачу поля для определения значений S-параметров в различных частотных точках. Полученные значения S-параметров затем используются для проведения свипирования (периодическое изменение частоты колебаний) полосы частот и расчета непрерывного спектра. Настройки частотного вычислителя по умолчанию автоматически определяют необходимое количество и расположение частотных точек, чтобы достичь требуемой точности во всем диапазоне частот.

Возможность использования вычислителя в частотной области в рамках единой оболочки может становится очень удобным и простым способом получения необходимых результатов.[4]

Поле проведения моделирования в вычислителе в частотной области (FD) и оптимизации конструкции, путем изменения топологии печатной платы с дифференциальными парами, а также изменения точки подключения к краевым разъемам, были получены результаты, указанные на рисунке 10.

Рис. 10. Вносимые потери на дифференциальных парах

Из расчета видно, что вносимые потери по уровню -1 дБ на частотах до 9 ГГц, что в свою очередь говорит о прохождении сигнала на скорости до 18 Гбит/с.

Оптимизация конструкции проходила разными способами:

1. Изменение точки подключения к краевым разъемам (рис.11). При подключении компонента к краевым разъемам, особенно в нижней части конструкции, необходимо его располагать как можно ближе к дифференциальной паре, в свою очередь необходимо учесть конструкцию изделия в целом, будет ли такое возможно. Вносимые потери указаны на рис. 12 и 13.

2. Изменение топологии платы так, чтобы волновое сопротивление печатного проводника (50 Ом) входящего в дифференциальную пару и волновое сопротивление краевого разъема быть близки по значению для уменьшения вносимых потерь. (рисунок 1).

3. Были проработаны варианты топологии дифференциальных пар со скруглёнными углами и с прямыми углами под 135 градусов.

Рис. 11. – Расположение компонента относительно краевого разъема

а) компонент расположен близко к дифференциальной паре
б) компонент расположен дальше от дифференциальной пары

Рис. 12. Вносимые потери при расположении компонента близь дифф.пары

Рис. 13. Вносимые потери при расположении компонента далеко от дифф.пары

По результатам моделирования можно сделать вывод, что уменьшение вносимых потерь происходит в том случае, когда точка подключения к краевому разъему находиться ближе к дифференциальной паре. Это связано с уменьшением неоднородности, которую преодолевает сигнал при прохождении от одного входного порта к выходному.

Изменение топологии

При моделировании вносимых потерь были проработаны варианты со скруглёнными углами и с прямыми углами под 135 градусов (рис.14).

Рис. 14.       а) дифференциальная пара без скруглений
                  б) дифференциальная пара со скруглениям

Рис. 15. Вносимые потери дифференциальной пары без скруглений

Рис. 16. Вносимые потери дифференциальной пары со скруглениями

Скругленные дифференциальные пары имеют минимальное количество неоднородностей вдоль печатного проводника, что приводит к уменьшению вносимых потерь (рис 15 и 16).

Оптимизация также проходила изменением топологии платы так, чтобы волновое сопротивление печатного проводника (50 Ом) и волновое сопротивление краевого разъема были близки. (рис. 17). Для этого необходимо добавить скругление на место подключения печатного проводника дифференциальной пары к краевому разъему.

Рис. 17. Скругление краевых разъемов

Также можно провести моделирование глазковой диаграммы как пост-процесс расчета S-параметров. Для этого необходимо задать параметры расчета: кодирование, длительность и др., и на выходе получится глазковая диаграмма на скорости 10 Гбит/с. (рис. 18) [5]

Рис. 18. Глазковая диаграмма

В рамках импортозамещения, имея существенный научно-технический задел в области радиоэлектроники, компания АО «РАДИАНТ-ЭК» в данный момент занимается разработкой и освоением серийного производства межплатного модульного высокоскоростного соединителя, предназначенного для построения современных высокопроизводительных систем передачи данных между периферийными и несущими платами, магистральные соединительные шины которых соответствуют стандарту VPX (VITA 46). Направление данной работы является перспективным и соответствует «Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года».

Разрабатываемый отечественный соединитель является полным аналогом и предназначен для замены импортного модульного соединителя серии MultiGig RT2 фирмы «TycoElectronics» (США). 

Литература:

1. А. Тхорик Технология будущего, доступная уже сегодня / А. Тхорик. – Текст: непосредственный // Мир автоматизации. – 2009. – №8. – С. 28-32.

2. Баканин Д.В., Отечественный модульный высокоскоростной соединитель стандарта VPX (VITA 46) от АО «РАДИАНТ-ЭК/ Баканин Д.В., Шаломанов В.И -//Электронные компоненты. -2023-№2 -С.56-60

3. Формула Найквиста https://anapagis.ru/chto-takoye-formula-naykvista/

4. SIMULIA CST Studio Suite - описание вычислителей https://eurointech.ru/eda/microwave_design/cst/CST-Solvers.phtml

5. Основы глазковой диаграммы: чтение и применение глазковых диаграмм https://radioprog.ru/post/681