Projektowanie systemów cyfrowych z wykorzystaniem izolatorów

Tab. 2. Równania mikropasków dla 0,2 < w/d < 1

	εeff = efektywna przenikalność elektryczna, uwzględniająca: przenikalność względna powietrza przenikalność względna PCB wysokość nad podłożem nominalna długość ścieżki
	Weff = efektywna szerokość ścieżki, uwzględniająca: nominalną szerokość ścieżki grubość ścieżki wysokość nad podłożem
	Z0 = impedancja charakterystyczna, uwzględniająca: efektywną szerokość ścieżki wysokość nad podłożem efektywną przenikalność elektryczną
Uwaga: wszystkie wymiary mają te same jednostki – cale, mile (1 cal = 1000 mili) lub mm (1 cal = 25,4 mm).

Warstwy odniesienia

Warstwy zasilania i masy w projekcie płytki PCB wysokiej szybkości muszą spełniać szereg wymagań. Przy prądzie stałym i niskich częstotliwościach muszą zapewniać stabilne napięcia odniesienia, takie jak Vcc i masa w stosunku do wejść zasilania układów zintegrowanych (IC). Przy wysokich częstotliwościach warstwy odniesienia, a w szczególności warstwy masy, pełnią liczne funkcje. Aby zaprojektować systemy transmisyjne o kontrolowanej impedancji, warstwa uziemiająca musi zapewniać silne sprzężenie elektryczne ze ścieżkami sygnałowymi na przylegającej warstwie sygnałowej.

Rozważmy pojedynczy przewodnik przenoszący prąd zmienny, wraz z towarzyszącym polem elektrycznym i magnetycznym, pokazane na rysunku 14. Brak lub niewielkie sprzężenie elektryczne pozwala fali TEM wytwarzanej przez przepływ prądu swobodnie rozchodzić się w środowisku zewnętrznym, wywołując poważne interferencje elektromagnetyczne (EMI).

Rys. 14. Redukcja pola rozchodzącego się przez bliskie sprzężenie elektryczne między przewodnikami

Teraz wyobraźmy sobie drugi przewodnik w bezpośredniej bliskości, przenoszący prąd o jednakowej amplitudzie, lecz przeciwnej polaryzacji. W tym wypadku przeciwstawne pola magnetyczne przewodników znoszą się, podczas gdy pola elektryczne zostają ściśle sprzężone. Fale TEM obu przewodników, pozbawione pól magnetycznych, nie mogą teraz wypromieniować w przestrzeń.

Na rysunku 15 pokazano ten sam efekt zachodzący między podłożem uziemiającym a ściśle sprzężoną ścieżką sygnału. Prądy wysokich częstotliwości podążają drogą o najmniejszej indukcyjności, nie ścieżką o najmniejszej impedancji. Ponieważ ścieżka powrotna o najmniejszej indukcyjności leży dokładnie pod ścieżką sygnałową, powracający sygnał wykazuje tendencję do podążania tą drogą. Ograniczony przepływ powracającego prądu tworzy obszar o wysokiej gęstości prądu w warstwie podłożowej, dokładnie pod ścieżką sygnału. Ten obszar podłoża następnie działa jak pojedyncza ścieżka powrotna, pozwalając polom magnetycznym znieść się i zapewniając ścisłe sprzężenie elektryczne ze ścieżką sygnału na górze.

Rys. 15. Warstwa podłożowa działająca jak pojedyncza ścieżka powrotna

By zapewnić ciągłą ścieżkę o niskiej impedancji dla prądów powrotnych, warstwy odniesienia (warstwy zasilania i uziemienia) muszą być jednolitymi obszarami miedzi bez dziur i defektów. Dla warstw odniesienia ważne jest, by obszary izolacyjne przelotek nie zaburzały ścieżki prądu powrotnego. W przypadku wystąpienia przeszkody, prąd powrotny znajduje odpowiednią drogę, omijając ją. Jednakże w ten sposób pola elektromagnetyczne prądu będą najprawdopodobniej interferować z polami innych ścieżek, powodując przesłuchy. Co więcej, te przeszkody zwiększają impedancję ścieżek prowadzonych nad nimi, tym samym prowadząc do wystąpienia nieciągłości i wzrostu EMI.

Rys. 16. Porównanie ścieżki prądu zwrotnego w jednolitej i podzielonej płytce