Фрагмент основной платы Amstrad CPC 464.
К началу 2010-х та же технология имела следующий вид компоновки:
Снимок Arduino Uno R3 из рекламных материалов.
Кроме повышенной миниатюризации самым поразительным изменением стало использование медных заливок (copper pour), то есть сгенерированных компьютером зон, занимающих пустое пространство между дорожками печатной платы.
Почему мы начали их создавать? Можно просто сказать, что в высокоскоростной электронике такое решение может повысить целостность сигналов, поэтому оно стало необходимым для таких передовых сфер применения, как смартфоны и десктопные компьютеры.
Ещё одно изменение заключается в том, что в 1980-х Федеральная комиссия по связи США (FCC) ввела в действие правила 47 CFR Part 15 о «непреднамеренных излучателях», применяемые к широкому спектру вычислительных устройств. Это немного похоже на рэкет: нужно передать прототипы аккредитованной лаборатории, заплатить большие деньги за радиочастотные испытания и столкнуться с дополнительными затратами и задержками, если требования не удовлетворены. Медные заливки могут снижать радиочастотное излучение, поэтому их часто используют просто на всякий случай.
Также важно изменение в моде: хобби-разработчики стремятся копировать отраслевые тенденции. Необычные или немодные эстетически печатные платы часто подвергаются критике, даже если критикующие не могут толком объяснить, в чём проблема дизайна.
Но постойте, давайте вернёмся к слону в комнате: в чём вообще заключается предназначение медных заливок?
Краткий отход от темы: синфазные дроссели
Здесь и ниже предполагается, что вы знакомы с такими понятиями, как индуктивность и сопротивление.
В электронных схемах поток электронов происходит в проводниках, однако передача энергии заключается не в ударах этих частиц друг об друга, этот процесс опосредованно происходит через электромагнитные поля. Источником этих полей являются носители заряда, но они свободно распространяются в окружающее пространство.
Некоторые материалы, например, феррит, реагируют на внешние магнитные поля, перестраивая свои валентные электроны; благодаря этому извлекается энергия из окружающего поля. Если источником поля стал находящийся поблизости проводник, то ток в этом проводнике немедленно тормозится. Феррит достигает насыщения, но любые последующие изменения в токе проводника тоже будут тормозиться, пока не установится новое равновесие.
Таково поведение стандартной индуктивности, однако интересной вариацией этой темы стал синфазный дроссель. Его простейшая разновидность часто встречается в компьютерных кабелях: это ферритовое кольцо с двумя проводами, проходящими через него в одном направлении. В более компактной версии используется тороид меньших размеров, вокруг которого обёрнут каждый из проводников, чтобы сигнал прошёл через него пару раз:
Синфазный дроссель
Если по обоим проводам в одном направлении идёт синфазный ток, то в результате образуется когерентное магнитное поле, воздействующее на феррит. Благодаря этому устройство ведёт себя как стандартный индуктор, пропускающий постоянный ток, но гасящий высокочастотные компоненты соотносительно частоте изменений (то есть относительно частоте переменного тока).
Если же есть комплементарные токи, текущие в противоположных направлениях, как это происходит в случае пары дифференциальных сигналов или проводов "+" и "-", подключенных к источнику питания, то суммарные поля обнулятся. Это исключает магнетизацию; без поглощаемой ферритом энергии индуктивное реактивное сопротивление устройства (величина гашения сигналов переменного тока, схожая с сопротивлением) остаётся низким.
Один из возможных способов применения таких дросселей заключается в подавлении радиочастотных помех в длинных кабелях. Радиопомехи обычно создают ту же электродвижущую силу, что и все проводники устройства, поэтому итоговые токи синфазны и могут быть отделены от важных нам дифференциальных сигналов.
Но вернёмся к нашим медным заливкам…
Явление индуктивности возникает не только в ферритовых сердечниках; оно присутствует, хоть и в гораздо меньшей степени, в любой дорожке печатной платы.
Чтобы понять, почему это происходит, рассмотрим следующую плату. У неё есть одна дорожка на переднем слое (красная), медная плоскость сзади (синяя) и два проходных отверстия:
Довольно бесполезная плата
При подаче на выводы сигнала постоянного тока «передний» ток на переднем слое ограничен дорожкой. Возвратный ток на обратной стороне может свободно распределяться, но на практике он выбирает путь наименьшего сопротивления, то есть кратчайшую линию между двумя проходными отверстиями.
При переменном токе ситуация отличается: с увеличением частоты синусоиды f повышается и связанный с намагничиванием эффект квазисопротивления по исходному пути тока. Типичные значения индуктивности дорожек платы (L) могут изменяться в интервале от десятков до сотен наногенри, что зависит от длины и других факторов. При известных f и L формула индуктивного сопротивления имеет вид:
Иными словами, при частоте синусоиды 20 МГц мы можем наблюдать значения XL порядка 50 Ом.
К счастью, когда закрывается одна дверь, открывается другая: если обратный ток находится в пределах верхней дорожки, спроецированной на нижнюю медную плоскость, то мы получаем ситуацию, аналогичную синфазному дросселю: магнитные поля по большей мере нейтрализуются, а импеданс остаётся относительно низким.
На практике это приводит к двум последствиям. Во-первых, если «передний» путь и наилучший доступный обратный путь находятся далеко друг от друга, то мы получаем повышенный импеданс и повышенное излучение электромагнитной энергии на все высокоскоростные линии данных. Во-вторых, если поблизости окажется какая-то несвязанная с этой системой дорожка-«жертва», обеспечивающая какой-нибудь обратный путь к заземлению — даже через тело интегральной схемы! — то ток может пойти по нему вместо проложенного нами красивого пути постоянного тока.
Так что же, везде использовать медные заливки?
Необязательно. Это не единственный способ устранения проблемы; такой подход просто экономит нам время по сравнению с ручным прокладыванием линий обратного тока для каждой шины данных.
Но в любом случае вам всё равно нужно внимательно следить за тем, что вы делаете: очень легко разорвать медные заливки и существенно снизить преимущества такой схемы:
Разорванная медная заливка не обеспечивает хорошего обратного пути
Кроме того, из-за медных заливок легко не заменить и проблемы разводки питания; например, подача Vdd для этого чипа (справа вверху)… неидеальна:
Длинный путь к положительному питанию.
Чтобы не усложнять, некоторые хобби-разработчики выбирают четырёхслойные платы, где два внутренних слоя выделены для GND и Vdd. Такая система работает, но за неё придётся платить вдвое дороже.
Более общая проблема всех этих методик в том, что они снижают индуктивность ценой повышения шунтирующей ёмкости по всей плате. При передаче цифрового сигналов такой компромисс обычно вполне приемлем. Но для аналоговой электроники каждый пикофарад, добавленный к обратной связи операционного усилителя, может оказаться очень неприятным.
На практике, в подавляющем большинстве проектов с использованием ESP32, Raspberry Pi или 8-битных микроконтроллеров AVR особо задумываться об этом не требуется; добавляйте медные заливки, если это упрощает вам жизнь, а не потому, что так говорят в Интернете. Настоящие проблемы появляются, когда вы начинаете работать с высокоскоростными интерфейсами — MIPI-DSI, USB 3.0 и так далее.
Автор: Chitanava
