Зависит ли скорость сигнала от длины проводника на печатной плате

После публикации статьи «Электромагнитная совместимость при проектировании печатных плат» у некоторых читателей возник вопрос: зависит ли скорость сигнала от длины проводника на печатной плате. Скорость сигнала не зависит от длины проводника, но зависит время задержки сигнала. Подробнее об этом в нашей статье.

1. В чем отличие скорости сигнала и его задержки?

Скорость сигнала (VelocityofPropagation, Vp) - это фундаментальное свойство среды, в которой распространяется сигнал. Она зависит от материала диэлектрика (в основном, от диэлектрической проницаемости, εr), окружающего проводник. Скорость сигнала НЕ зависит от длины дорожки.

Формула: Vp = c / sqrt(єeff),

где
c – скорость света в вакууме (~3*10^8 м/с)
єeff – эффективная диэлектрическая проницаемость (зависит от материала печатной платы).

Для типичного материала FR4 (єeff≈ 4.4) скорость сигнала составляет примерно половину скорости света: Vp≈ 1.5 * 10^8 м/с (или 15 см/нс).

Задержка сигнала (TimeDelay, Td) - это время, которое требуется сигналу, чтобы пройти от начала до конца проводника. Вот она как раз прямо пропорциональна длине дорожки.

Формула: Td = Length / Vp

Вывод: чем длиннее проводник, тем больше время задержки Td, хотя скорость Vp остается постоянной для данной среды.

2. Почему это так важно в проектировке печатной плате?

На низких частотах и для коротких дорожек эта задержка ничтожна и не играет роли. Но в высокоскоростных цифровых схемах (процессоры, DDR память, PCI Express) и аналоговых СВЧ-устройствах задержки становятся критичными.

1. Синхронизация имеет значение (Timing).
В синхронных системах с тактовой частотой в гигагерцы данные должны прибывать к приемнику строго в определенное временное окно. Разная длина путей у разных сигналов (например, у шины данных) приводит к разности задержек (skew). Если один бит прибывает сильно позже другого, система может считывать неверные данные. Для этого дорожки выравнивают по длине (lengthmatching).
2. Сохранение целостности сигнала (SignalIntegrity).

Длинные проводники ведут себя не как идеальные провода, а как линии передачи (transmissionlines). Если длина дорожки сравнима с длиной волны сигнала (или больше ~ 1/10 длины волны), возникают эффекты:

Отражения (Reflections).

Если импеданс линии не согласован с импедансом источника и нагрузки, часть сигнала отражается, искажая фронты и создавая «звон» (ringing).

Потери (Loss).

На очень высоких частотах (десятки ГГц) длинные дорожки вносят затухание, искажая амплитуду сигнала.

«Правило 1/10».

Если длина дорожки превышает L > (длина волны сигнала) / 10, её уже нужно рассматривать как линию передачи и согласовывать импеданс.

Пример.

Сигнал с фронтом 1 нс имеет значительные гармоники с частотой ~1 ГГц. Длина волны такой частоты в FR4 ~15 см. Дорожка длиннее 1.5 см уже требует внимания к согласованию.

Итог

Заключение: При проектировании печатной платы, особенно для высокоскоростных приложений, разработчик должен обязательно учитывать длину проводников, чтобы управлять задержками и избегать проблем с целостностью сигнала.