Tři mýty o signálové integritě

Signálová integrita jako měřítko kvality přenosu signálu plošným spojem je pro návrháře desek v posledních letech stále častějším tématem k zamyšlení. Není divu, vždyť návrh desky, který není z pohledu signálové integrity dobře ošetřen, může způsobit nemilá překvapení v podobě částečně nebo i úplně nefunkční desky. Jak už to tak bývá v podobných záležitostech, postoj k signálové integritě mohou ovlivnit i různé mýty, které kolem dané problematiky kolují. Zde jsou tři z nich.

Osamělý pulz

Je snadné podlehnout dojmu, že problém s přenosem signálu plošným spojem se týká jenom periodických pulzů s vyšší frekvencí. Ve skutečnosti je však jedno, jestli se jedná o 10 MHz, 100 kHz či jenom občasné pulzy – pokud ke změně stavu na výstupu připojeného obvodu dochází velmi rychle (řádově několik nanosekund či méně), potom vznikají problémy s přenosem digitálního signálu plošným spojem. Na obr. 1 je vidět průběh signálu na výstupu (červeně) i na připojeném vstupu (modře) ve chvíli jednorázové změny stavu výstupu. Na vstupu dochází k zákmitům nepřípustné velikosti, které způsobí odrazy na vedení, EMC a přeslechy, nehledě na možnost poškození připojeného vstupu.

Obr. 1 Průběh signálu na výstupu (červeně) a připojeném vstupu (modře)

Řešení přeslechu oddálením spoje

První myšlenka, která člověka napadne v souvislosti s řešením přeslechu sousedních plošných spojů (obr. 2), je zvětšení mezery mezi nimi. To sice pomáhá, ale výrazný rozdíl nastává až při oddálení spojů minimálně o čtyřnásobek šířky spoje, který přeslechy způsobuje (agresora). To nelze vždy reálně provést, protože to podstatně zvyšuje nároky na volný prostor na desce.

Obr. 2 Vzájemná vazba mezi sousedními plošnými spoji

Na obr. 3 je vidět, že zvětšením mezery mezi sousedními spoji na dvojnásobek se situace moc nezlepší (pravý obrázek). Lepším řešením než zvětšování mezery mezi plošnými spoji je převést jeden spoj na jinou vrstvu, přičemž obě vrstvy budou ještě odděleny zemnicí vrstvou. Podobně by bylo možné oddělit dva spoje na stejné vrstvě zemnicím spojem mezi nimi. Protože obě možnosti jsou většinou nepraktické, nejlepším řešením zůstává řádné přizpůsobení obou spojů (agresora i oběti).

Obr. 3 Průběhy signálů při přeslechu – agresor červeně, oběť modře, původní stav (vlevo), stav po zdvojnásobení mezery (vpravo)

Odhad hodnoty sériového rezistoru

Ve většině případů se k řešení problému s přenosem signálu používá sériový rezistor, který se vloží do spoje co nejblíže ke zdroji signálu. Bývaly doby, kdy bylo možné jeho správnou hodnotu odhadnout, protože rychlost spínání součástek byla relativně malá. V dnešní době však může být hodnota vloženého rezistoru kritická a tak se lze ke stanovení jeho správné hodnoty dopracovat jen použitím vhodného softwarového nástroje. Na obr. 4 je vidět vliv hodnoty sériového rezistoru na přenos signálu – zatímco 50Ω rezistor je optimální, 25Ω a 75Ω rezistory jsou naprosto nevyhovující. Pochopitelně, jedná se o konkrétní případ, v jiných případech mohou být hodnoty také jiné.

Obr. 4 Vliv hodnoty rezistoru na přenos signálu (modrá – 25 Ω, zelená – 50 Ω, červená – 75 Ω)