Nopeiden sarjaväylien suunnittelusäännöt ja käytännön toteutuksia

Abstract

Tässä työssä tarkastellaan nopeiden sarjaväylien suunnittelusääntöjä piirilevylle luotavien differentiaaliparien näkökulmasta. Työn aihe on ajankohtainen, sillä digitaalisten laitteiden ja sovellusten kehittyminen nostaa tiedonsiirtonopeuksia jatkuvasti. Korkeat tiedonsiirtonopeudet tuovat mukanaan korkeita taajuuksia, jotka tulee huomioida suunnittelussa hyödyntämällä siirtolinja-analyysiä.

Aihetta tutkittiin teoreettisen tarkastelun ja käytännön testien avulla. Teoriaosuus pohjautuu alan kirjallisuuteen, tutkimusartikkeleihin ja erinäisiin suunnitteluohjeisiin. Suunnittelusääntöjen ymmärtämiseksi työssä perehdytään lyhyesti siirtolinjateoriaan, ja lisäksi sarjaliikennettä esitellään lyhyesti.

Teorian perusteella yksi olennaisimpia siirtolinjaparametreja on linjan ominaisimpedanssi, joka vaikuttaa suunnittelussa laajalti. Erityistä huomiota on kiinnitettävä impedanssirajapintoihin, sillä ne aiheuttavat signaalin eheyttä heikentäviä heijastuksia. Tämän takia impedanssi on olennaisessa osassa myös differentiaaliparien suunnittelussa. Differentiaaliparien impedanssiin vaikuttaa muun muassa parin välinen vaihe-ero, mikä on ideaalisesti 180°. Vaihe-eron ylläpitämiseksi parin välisiä pituuksia tulee usein sovittaa lisäämällä lyhyempään johtimeen pituuseroa vastaava määrä kuviointia.

Käytännön testeillä pyrittiin tukemaan ja täydentämään teoriaosuudessa esiteltyjä suunnittelusääntöjä. Testejä varten luotiin mittauspiirilevy, johon suunniteltiin useita eri testikokonaisuuksia eri aihealueista. Tutkittavia aiheita olivat differentiaaliparien pituussovitus, ylikuuluminen, komponenttien liitospinnat sekä maatason etäisyyden vaikutus. Testit toteutettiin pääasiassa mikroliuskarakenteella, mutta myös liuskajohtoa testattiin. Mittaukset suoritettiin piirianalysaattorilla taajuuskaistalla 0–6 GHz. Mittalaitteen rajallisten ominaisuuksien vuoksi mittaukset voitiin tehdä ainoastaan yksipäisesti, mikä rajoittaa saatujen tulosten merkittävyyttä.

Mittausmenetelmän rajoitteista huolimatta työssä saatiin myös mielenkiintoisia tuloksia. Mittaukset havainnollistivat hyvin impedanssirajapinnan merkitystä, sillä jokaisessa mittauksessa havaittiin linjan päissä olevien rajapintojen aiheuttavan merkittäviä heijastuksia. Ylikuulumisen osalta havaittiin, että suojajohdin teorian mukaisesti kasvattaa ylikuulumisen suuruutta, mikäli sitä ei ole kytketty tiheästi läpivienneillä maatasoon. Lisäksi havaittiin, että komponenttien liitospintaan on heijastusten kannalta paras johdottaa vakiojohdinleveydellä sen sijaan, että kasvattaisi johdinleveyttä tasaisesti. Maatason etäisyyden osalta mittauksissa ei saatu eri testien välille eroja näkyviin.

Käytännön testien pääpaino oli pituussovituksessa, mutta juuri näissä testeissä mittausmenetelmän rajoitteet korostuivat. Yksipäisesti mitattuna huomattiin, että kaikista eniten epäsymmetriaa lisäävät mitat aiheuttivat vähiten differentiaalisen signaalin muunnosta yhteismuotoiseksi, vaikka tilanteen pitäisi teorian mukaan olla juuri päinvastainen. Yllättävät tulokset johtuvat oletettavasti mittausmenetelmästä, joka ei huomioi parin välisen kytkeytymisen muutoksia. Tämän vuoksi työssä suositellaan tutkimuksen jatkamista aidolla differentiaalisignaalilla. Tämä työ toimii hyvänä pohjana jatkotutkimukselle.