Pautas de enrutamiento de alta velocidad para PCBs avanzados

Zachariah Peterson
|  Created: September 13, 2020  |  Updated: September 15, 2020
Las pautas de enrutamiento para PCBs avanzados que te ofreceremos a continuación, te permitirán crear esta placa avanzada

Los diseños más modernos no dejan de incrementar su velocidad, con ejemplos de PCIe 5.0 que alcanzan los 32 Gb/s, y de PAM4 que llevan la integridad de la señal y las velocidades al límite. El diseño adecuado de la interconexión debe tener en cuenta los márgenes de ruido más bajos de los dispositivos avanzados y elementos como los requisitos impecables de estabilidad de la energía.

En el caso de los dispositivos avanzados que funcionan a niveles de señal más bajos, las pautas de enrutamiento de alta velocidad se centran en evitar la pérdida de señal, la distorsión y las reflexiones de las discontinuidades de impedancia a través de las interconexiones. En la señalización ultrarrápida, en particular en la señalización multinivel, es fundamental tener en cuenta todas las pautas de diseño de alta velocidad que se presentan aquí y empezar a ponerlas en práctica.

Pautas importantes de enrutamiento de alta velocidad

Cuando se trabaja con altas velocidades que llegan hasta fases muy avanzadas del régimen de sub-nanosegundos, especialmente en las nuevas generaciones de PCIe, y cuando se busca compatibilidad con equipos de redes de alta velocidad, cualquier diseñador debería tener en cuenta ciertas pautas básicas de enrutamiento de PCB de alta velocidad. Los dispositivos más nuevos siguen superando el límite de velocidad, por lo que lo más probable es que necesites tener en cuenta todas estas pautas, en lugar de quedarte con sólo algunas de ellas.

Stackup para el enrutamiento de impedancia controlada e integridad eléctrica

El stackup es tan importante para la integridad de la señal como para la integridad eléctrica. Del mismo modo, a medida que los anchos de banda de la señal se extienden más allá de las décimas de GHz, particularmente con los esquemas de señalización multinivel (por ejemplo, PAM4 para redes de 400G), necesitarás controlar la impedancia de tus interconexiones para asegurar una terminación y correspondencia adecuadas. También necesitarás dimensionar adecuadamente tu pista para tratar de minimizar el zumbido (es decir, amortiguar críticamente la respuesta transitoria) mientras mantienes constante la impedancia. Esto requiere una meticulosa ingeniería de apilamiento y diseño de interconexión.

Enrutamiento de pares diferenciales y ajuste de longitudes

Dado que el ruido del modo común es un problema importante para la integridad de la señal, será necesario asegurar un acoplamiento suficiente a lo largo de los pares diferenciales, como parte del enrutamiento de impedancia controlada. También se requiere un acoplamiento de fase a lo largo del recorrido de un par diferencial. La región acoplada debe extenderse directamente al receptor, cuando sea posible, mientras que cualquier región desacoplada debe ser igualada en longitud y limitada al conductor en su interconexión. Esto asegura que cualquier ruido de modo común será visto como perfectamente en fase y por tanto totalmente suprimido en el receptor.

Elección del material de sustrato adecuado

Ante tiempos de subida más rápidos, surge la necesidad de encontrar materiales de sustrato con menor pérdida tangencial y dispersión plana. La dispersión es muy importante aquí, ya que crea un cambio continuo en la impedancia y propagación constantes a lo largo de una interconexión. En primer lugar, la dispersión hace que los pulsos electromagnéticos (es decir, las señales digitales) se expandan a medida que se propagan. En segundo lugar, la impedancia que se observa en el borde ascendente de la señal no coincidirá con la que se observa en el borde descendente de la señal en presencia de una fuerte dispersión, lo que provoca una fuerte distorsión. Debes asegurarte de que la constante dieléctrica sea plana con el ancho de banda correspondiente, que fácilmente se extiende a 30 GHz en PAM4 a 12 Gbps.

Pistas cortas y backdrilling

Las pistas se deben enrutar tan cortas como sea posible para minimizar las pérdidas de energía. En el caso de que la dispersión sea un problema, esto ayuda a minimizar la distorsión del pulso, ya que los pulsos se estirarán debido a la dispersión. También deben reducirse al mínimo los vias en las pistas, ya que pueden crear discontinuidad de impedancia si no están diseñadas para una impedancia exacta. Cualquier vía presente en una interconexión debe ser taladrada de nuevo, ya que cualquier vía que permanezca representa otra discontinuidad de impedancia, por lo que supone otra oportunidad para la reflexión de la señal. Estos stubs pueden también resonar a altas velocidades/frecuencias, lo que significa que actuarán como antenas que acoplan el ruido en las interconexiones cercanas.

 

Impedancia de microstrip de PCB vs. frecuencia
Variación de la impedancia característica de una microstrip con frecuencia. Gracias a Yuriy Shlepnev de Simberian por producir esta figura.

 

Alta velocidad vs. alta frecuencia de datos: Fibra y señalización multinivel

Las señales simples moduladas OOK o NRZ definen de manera efectiva dos niveles de señal que determinan los estados binarios de encendido y apagado. De hecho, la velocidad de tus datos está limitada por el tiempo de subida/bajada de las señales suministradas por el controlador de una interconexión diferencial. El paso a velocidades de datos más altas ha llevado los tiempos de subida y bajada al límite, llegando en última instancia a niveles de picosegundos a 32, 56 y 112 Gbps.

Esto también reduce el margen de fluctuación a niveles extremadamente bajos, lo que requiere una estabilidad de potencia suficiente para asegurar que la onda del bus de potencia no se propague a la salida de un circuito integrado con un alto consumo de potencia. Es común ver una fluctuación de ~100 ps/mV inducida en los circuitos integrados impulsados debido a la ondulación de un PDN. Y aquí es donde la impedancia de tu PDN necesita alcanzar niveles inferiores al miliOhm para disminuir la ondulación en una PDN hasta niveles tan bajos como ~2% para dispositivos de 1,2 V, lo que equivale a una fluctuación de voltaje de pico a pico de ~30 mV. Necesitarás bajar el jitter hasta el nivel de ~1 ps o menos, lo cual es apropiado para los PCB que utilizan señalización multinivel.

A niveles de señal tan bajos, el aumento de la velocidad de los datos requiere que se trabaje con una mayor densidad de ancho de banda mediante el enrutamiento de más canales en paralelo. En el equipamiento de redes, se seguirá utilizando la señalización diferencial para interactuar con más canales paralelos multiplexados Tx y Rx en el caso de redes de fibra óptica ultrarrápidas. Los componentes ópticos se montan directamente en el PCB y se interconectan con los chips del sistema mediante fotodiodos rápidos y VCSEL de anchos de banda superiores.

BOA y pautas de enrutamiento de PCB de alta velocidad
Bloque óptico montado en una placa para interactuar con un controlador de sistema de una placa base.

 

¿Pero de qué manera pueden los diseñadores seguir aumentando las tasas de datos para satisfacer las demandas de los nuevos equipos de red y demás aplicaciones avanzadas? En caso de que no puedas imaginar hacia dónde va esto, empezaremos a ver una convergencia entre la óptica y la electrónica a nivel del PCB que finalmente alcanzará el nivel de los circuitos integrados. Los principales fabricantes de CI ya se preparan para desarrollar una cadena de suministro de CI fotónicos de silicio y para desarrollar un cierto nivel de estandarización para estos nuevos productos. Esto ayudará a resolver muchos de los problemas de integridad de la señal y a relajar algunas limitaciones de diseño para la comunidad de PCB, pero también obligará a los diseñadores a replantearse la forma de crear productos avanzados.

El completo conjunto de herramientas de enrutamiento de Altium Designer® es ideal para definir e implementar las pautas de enrutamiento de PCB de alta velocidad que se presentan aquí, y muchas más. Define tus pautas de enrutamiento de alta velocidad como reglas de diseño y examina la integridad de la señal con potentes herramientas de simulación. Estas herramientas están integradas en una única plataforma, lo que te permite incorporarlas rápidamente a tu flujo de trabajo.

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Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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