Мобільний додаток
Ще більше зручності! Миттєві сповіщення про всі актуальні події вашого профілю!
Трасування: дитяча аплікація "Дари осені", але з імпедансом
Схема намальована, компоненти підібрані, прийшов час зайнятись трасуванням плати. Загалом цей етап було б добре віддати студенту на аутсорс - процес нагадує медитативну головоломку, де тобі треба з'єднати кілька сотень точок між собою і не завадити з'єднанню з іншими сотнями точок. Один невдалий поворот - і доріжки перетинаються, земля вже не земля, а живлення йде через хибний шлях.
Розбиваємо процес на декілька етапів. Крок перший, розділив схему на великі групи: десеріалізатор на вході, відеопроцесор посередині, серіалізатор на виході, окремо живлення і керуючий мікроконтроллер.
Кожну групу розводжу як міні-плату всередині великої - обв'язку чіпа з усіма його конденсаторами, феритами, резисторами. Коли всі групи готові - починається власне аплікація "Дари осені": розкладаю острівці на платі в більш-менш природню композицію, з'єдную їх між собою. На цьому етапі стає зрозуміло, чи правильно ти розрахував розташування - інакше виявляється, що від виходу серіалізатора до роз'єму треба пройти через мікросхему процесора, і це не дуже вдалий маршрут для високочастотного сигналу.
Високочастотне - в першу чергу
В першу чергу - розводка доріжок високочастотних протоколів - FPD-Link III від вхідного роз'єму, OpenLDI між трьома чіпами, FPD-Link III до вихідного роз'єму. Якщо їх розводити в останню чергу - вони підуть звивистим шляхом між уже прокладеним низькочастотним, а високочастотні сигнали такого не люблять.
Тут ключове правило: доріжки в межах однієї диференційної пари ("плюс" і "мінус") мають бути однакової довжини з точністю до 0.1 мм. Сука фізика. На високих частотах сигнал поширюється по доріжці не миттєво, а зі швидкістю приблизно 2/3 швидкості світла. Якщо одна доріжка пари довша за іншу хоча б на міліметр, "плюс" і "мінус" приходять у приймач не одночасно, диференційний прийом розпадається, і частина сигналу перетворюється на радіохвилі, які потім чудово світять як наводки у бортову електроніку. Тобто кожна додаткова доріжка в парі - це маленька антена, яку ви старанно припаяли посеред автомобіля.
Тому всі диф-пари вирівнюю змійками - зигзаги на коротшій лінії пари, щоб дотягнути її довжину до сусідньої. Виглядає дивно, але це стандартний прийом. Між парами в межах однієї шини (OpenLDI - це 4 пари даних + клок) тримаю різницю не більше 2.5 мм - там менш критично, але дані семпляться по клок-парі, і їй не цікаво, коли дані запізнюються відносно неї.
Окрема історія - імпеданс. Кожна диф-пара має тримати 100 Ом між "плюсом" і "мінусом" по всій довжині траси. Це досягається не магією, а конкретною геометрією: ширина доріжки, відстань між парою, відстань до площини землі під нею, властивості матеріалу плати - усе разом дає рівно 100 Ом. Зміни щось одне - імпеданс попливе, у місці зміни виникне відбиття сигналу, і всьо, пиши-пропало. Тому диф-пари йдуть з постійною шириною, з постійним зазором, по одному шару, прямо над суцільною землею - як по рейках.
Низькочастотні з'єднання - доїдаємо
Беремось за залишки. I2C, GPIO, UART, керування скиданням - усе це низькошвидкісне, до них вимоги набагато скромніші. Можна тягнути по нижньому шару, через перехідні отвори між шарами, з вільною геометрією. Головне - не пересікти диф-пари (принаймні бажано) і не порушити суцільність землі під ними.
Підключення до землі (GND) спеціально лишаю на самий кінець. На це є причина.
Заливка міддю і чому її не можна просто залити
На сучасних платах GND зазвичай реалізується не доріжками, а заливкою міддю - copper region. Це коли весь вільний простір на платі автоматично заповнюється суцільним полігоном міді, з'єднаним з GND. Програма заливає все, що могло б бути залите - обходячи доріжки та інші pad'и з потрібним зазором.
Це зручно з двох причин. По-перше, не треба ручками тягнути сотні GND-доріжок до кожного компонента - заливка сама з'єднує всі GND-пади навколо. По-друге, для високочастотних сигналів суцільна площина GND під трасою - це must-have. Сигнал у диференційній парі повертається до джерела не по самій парі, а по землі прямо під нею, "віддзеркалюючи" свою траєкторію. Якщо земля під парою має дірки, відсутність або розрив - return-струм робить криву петлю, і знову маємо антену.
Prohibited region і чому під OpenLDI заливка не йде
Здавалося б - заливай землю всюди, і будемо щасливі. Але є нюанс: якщо заливка міді підходить занадто близько до диференційної пари збоку, вона починає впливати на її імпеданс. Доріжка раптом бачить додаткову "стінку" поряд - геометрія, для якої рахували 100 Ом, змінюється, імпеданс просідає. Знов відбиття, знов проблеми.
Тому над диф-парами OpenLDI (і FPD-Link III теж) поверх заливки малюю prohibited region - область, де міді не повинно бути. Це смужка вздовж кожної пари, зазвичай шириною 3-4× від ширини самої пари з обох боків. Усередині цієї області автоматична заливка не йде. Виглядає так, ніби довкола кожної високочастотної пари є невидимий "коридор", де земля не наближається.
При цьому під парою земля є - бо вона на сусідньому шарі, не зверху. А збоку - порожньо. Виходить, що пара йде як по тунелю: знизу земля, по боках - повітря (точніше текстоліт без міді), зверху - теж нічого. Така геометрія дає стабільний імпеданс по всій довжині.
Души мене повністю
Останнє, що додаю - stitching vias (або suture vias, теж саме). Це маленькі переходи між шарами, виключно для з'єднання GND-полігонів на різних шарах між собою. Без них земля зверху і земля знизу електрично з'єднані тільки через пади компонентів - а на високих частотах цього мало, бо між двома незв'язаними мідними площинами утворюється "щілинний резонатор", який починає працювати як антена на ~3-5 ГГц. А нам таке не треба, будемо душити.
Розставив отвори по платі сіткою з кроком 3 мм уздовж високочастотних диф-пар і по периметру плати. Чому 3 мм, а не 1 мм? Бо правило таке: відстань між via має бути менша за λ/20 на найвищій частоті, що нас турбує. λ - це довжина хвилі. На 5 ГГц вона у вакуумі ~600 мм, λ/20 = 3 мм. Густіше ставити - марнування часу і нічого не виграєш.
Пакупаєм
Все розвели, прийшов час замовляти плату. Мінімальна партія - 5 штук. Замовляю одразу з пайкою компонентів. Це дорого, але воно того варте.
За кожен тип компоненту береться плата в $3 для заряджання його в машину для пайки. В мене таких компонентів близько 30 штук. На 5 друкованих платах ця ціна дуже відчутна. Якщо китайці не повернуть замовлення з вимогою внести правки чи доплатити - плату будуть виробляти і збирати близько 5-7 днів + доставка 2-3 тижні. Все разом вийшло під $200. На цьому поки все, чекаємо:)
