Richtlinien für High-Speed-Routing von fortschrittlichen Leiterplatten

Zachariah Peterson
|  September 13, 2020
Sie können diese fortschrittliche Leiterplatte mit den Richtlinien für das Routing von modernen PCBs erstellen.

Neuere Designs werden immer schneller. PCIe 5.0 erreicht 32 Gb/s und PAM4 treibt die Signalintegrität und Signalgeschwindigkeit bis an die Grenze. Das richtige Verbindungsdesign muss die geringeren Rauschmargen fortschrittlicher Geräte, die tadellosen Anforderungen an die Stromversorgungsstabilität und vieles mehr berücksichtigen, um sicherzustellen, dass Signale richtig empfangen werden können.

Bei fortschrittlichen Geräten, die mit niedrigeren Signalpegeln betrieben werden, konzentrieren sich die Richtlinien für das High-Speed-Routing darauf, Signalverluste, Verzerrungen und Reflexionen durch Impedanzdiskontinuitäten in den Verbindungen zu verhindern. Bei der ultraschnellen Signalübertragung, insbesondere beim Einsatz von mehrstufiger Signalübertragung, müssen Sie alle hier vorgestellten Richtlinien für das High-Speed-Design ernsthaft in Betracht ziehen und in die Praxis umsetzen.

Wichtige Richtlinien für das High-Speed-Routing

Da hohe Geschwindigkeiten bis weit in den Sub-Nanosekundenbereich reichen, insbesondere bei neueren PCIe-Generationen, und um High-Speed-Netzwerkgeräte zu unterstützen, sollte jeder Designer einige grundlegende Richtlinien für das High-Speed-Routing von Leiterplatten beachten. Angesichts der Tatsache, dass neuere Geräte weiterhin die Geschwindigkeitsbegrenzung überschreiten, müssen Sie ziemlich sicher alle diese Richtlinien berücksichtigen anstatt nur einige wenige auszuwählen, die Ihre Anwendung erfüllen.

Lagenaufbau für Routing mit kontrollierter Impedanz und Stromversorgungsintegrität

Der Lagenaufbau ist für die Signalintegrität ebenso wichtig wie für die Stromversorgungsintegrität. Da sich die Signalbandbreiten zunehmend in den 10er-GHz-Bereich erstrecken, insbesondere bei mehrstufigen Signalübertragungsschemata (zum Beispiel PAM4 für 400G-Netzwerke), müssen Sie die Impedanz Ihrer Verbindungen steuern, um eine ordnungsgemäße Terminierung und Anpassung zu gewährleisten. Zudem müssen Sie Ihre Leiterbahn richtig dimensionieren, um das Schwingen zu minimieren (d. h. das Einschwingverhalten bedeutend zu dämpfen) und gleichzeitig die Impedanz konstant zu halten. Dies erfordert sorgfältige Lagenaufbauentwicklung und akribisches Verbindungsdesign.

Differentialpaar-Routing und Längenabstimmung

Da Gleichtaktstörungen ein bedeutendes Problem bei der Signalintegrität darstellen, müssen Sie als Teil des impedanzgesteuerten Routing eine ausreichende Kopplung über die Länge der Differentialpaare sicherstellen. Dies erfordert auch eine Phasenanpassung über die Länge eines Differentialpaares. Der gekoppelte Bereich sollte nach Möglichkeit direkt bis zum Empfänger reichen, während die Länge des entkoppelten Bereichs dem Treiber in der Verbindung angepasst und auf diesen beschränkt sein sollte. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Gleichtaktstörungen als vollkommen phasengleich gelten und somit am Empfänger vollständig unterdrückt werden.

Wählen Sie das richtige Substratmaterial aus

Mit schnelleren Anstiegszeiten wächst der Bedarf an Substratmaterialien mit geringerer Verlusttangente und flacher Dispersion. Die Dispersion ist hier sehr wichtig, da sie eine kontinuierliche Änderung der Impedanz und der Ausbreitungskonstante entlang der Länge einer Verbindung bewirkt. Zunächst verursacht die Dispersion elektromagnetische Impulse (d. h. digitale Signale), die sich während ihrer Ausbreitung verteilen. Zweitens stimmt die Impedanz an der steigenden Flanke des Signals nicht mit der Impedanz an der abfallenden Flanke des Signals überein, wenn eine starke Dispersion vorhanden ist. Dies führt zu einer starken Verzerrung. Sie sollten sicherstellen, dass die Dielektrizitätskonstante bei der entsprechenden Bandbreite (die in PAM4 bei 12 Gbit/s leicht über 30 GHz reicht), flach ist.

Kurze Leiterbahnen und Backdrilling

Leiterbahnen sollten so kurz wie möglich geroutet werden, damit der Leistungsverlust gering ist. Falls die Dispersion ein Problem darstellt, hilft dies, die Impulsverzerrung zu minimieren, da sich die Impulse aufgrund der Dispersion dehnen. Vias auf Leiterbahnen sollten ebenfalls minimiert werden, da sie eine Impedanzdiskontinuität erzeugen können, wenn sie nicht für eine hohe Impedanz entwickelt wurden. Alle auf einer Verbindung vorhandenen Vias sollten rückgebohrt werden, da alle verbleibenden Via-Teilchen eine weitere Impedanzdiskontinuität bewirken könnten und somit eine zusätzliche Möglichkeit der Signalreflexion darstellen. Diese Teilchen können auch bei hohen Geschwindigkeiten/Frequenzen mitschwingen, d. h. sie fungieren als Antennen, die Rauschen in nahe gelegene Verbindungen einkoppeln.

 

PCB-Mikrostreifenimpendanz vs. Frequenz
Variation der charakteristischen Mikrostreifenimpedanz mit der Frequenz. Dank geht an Yuriy Shlepnev von Simberian für den Entwurf dieser Figur.

 

Hohe Geschwindigkeit vs. hohe Datenrate: Mehrstufige Signalübertragung und Glasfaser

Mit einfachen OOK- oder NRZ-modulierten Signalen haben Sie effektiv zwei Signalpegel, welche die binären EIN/AUS-Zustände definieren. Tatsächlich ist die Datenrate durch die Anstiegs-/Abfallzeit von Signalen, die vom Treiber auf einer differentiellen Verbindung geliefert werden, begrenzt. Der Übergang zu höheren Datenraten hat die Anstiegs- und Abfallzeiten an die Grenze des Möglichen getrieben, so dass sie schließlich mit 32, 56 und 112 Gbit/s im Pikosekundenbereich liegen.

Dies treibt auch die Jitter-Toleranzen auf ein extrem niedriges Niveau, was eine ausreichende Leistungsstabilität erfordert, um sicherzustellen, dass sich die Welligkeit des Strombus nicht auf die Ausgabe eines integrierten Schaltkreises (IC) mit hoher Leistungsaufnahme ausbreitet. Es kommt häufig vor, dass in angetriebenen ICs aufgrund der Welligkeit auf einem PDN ein Jitter von ~100 ps/mV induziert wird. An dieser Stelle muss die PDN-Impedanz das Sub-MilliOhm-Niveau erreichen, um die Welligkeit auf einem PDN auf bis zu ~2 % für 1,2-V-Geräte zu verringern, was einer Spannungsschwankung von ~30 mV Spitze-Spitze entspricht. Sie müssen den Jitter auf ein Niveau von ~1 ps oder weniger reduzieren, was für Leiterplatten mit mehrstufiger Signalübertragung geeignet ist.

Bei solch niedrigen Signalpegeln erfordert die Erhöhung der Datenrate das Arbeiten mit höherer Bandbreitendichte, indem mehr Kanäle parallel geroutet werden. In der Netzwerkausrüstung wird weiterhin die differentielle Signalübertragung als Schnittstelle mit mehr parallelen Tx- und Rx-Multiplex-Kanälen in ultraschnellen Glasfaseroptik-Netzwerkgeräten verwendet. Die Optik wird direkt auf die Leiterplatte montiert und über schnelle Fotodioden und VCSELs mit höherer Bandbreite mit Systemchips verbunden.

 

BOA und Routing-Richtlinien für fortschrittliche High-Speed-Leiterplatten
Optische Baugruppe für die Leiterplattenbestückung für den Anschluss an einen Systemcontroller auf einem Backplane.

 

Wie können Designer die Datenraten weiter erhöhen, um die Anforderungen neuerer Netzwerkgeräte und anderer fortschrittlicher Anwendungen zu erfüllen? Falls Sie nicht sicher sind, wohin dies führt – wir sehen hier eine Konvergenz zwischen Optik und Elektronik auf dem PCB-Niveau, die letztlich die IC-Ebene erreichen wird. Die großen IC-Hersteller arbeiten bereits zusammen, um eine Lieferkette für Silizium-Photonen-ICs und ein gewisses Maß an Standardisierung für diese neuen Produkte zu entwickeln. Dies wird dazu beitragen, viele der Herausforderungen in Bezug auf die Signalintegrität zu mildern und einige Designbeschränkungen für die PCB-Gemeinschaft zu lockern. Es wird die Designer jedoch auch zwingen, die Art und Weise, wie sie fortschrittliche Produkte entwickeln, zu überdenken.

Die umfassende Gruppe an Routing-Werkzeugen in Altium Designer® ist ideal für das Definieren und Implementieren der hier vorgestellten Richtlinien für das Routing von High-Speed-Leiterplatten und vieles mehr. Sie können Ihre wichtigen High-Speed-Routing-Richtlinien als Design-Regeln definieren und die Signalintegrität mit leistungsstarken Simulationswerkzeugen überprüfen. Diese Werkzeuge sind in einer einzigen Plattform integriert und können so schnell in Ihren Arbeitsablauf aufgenommen werden.

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About Author

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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