Directrices para el enrutamiento de alta velocidad en PCBs avanzadas

Puede crear esta placa avanzada con estas pautas de enrutamiento de alta velocidad para PCB avanzados

Los diseños más recientes continúan siendo más rápidos, con PCIe 5.0 alcanzando los 32 Gb/s, y PAM4 llevando la integridad de la señal y las velocidades al límite. Un diseño de interconexión adecuado debe tener en cuenta los márgenes de ruido más bajos de los dispositivos avanzados, requisitos de estabilidad de energía impecables y mucho más para asegurar que las señales puedan ser recibidas correctamente.

Con dispositivos avanzados funcionando a niveles de señal más bajos, las pautas de enrutamiento de alta velocidad se centran en prevenir la pérdida de señal, distorsión y reflexiones de discontinuidades de impedancia a lo largo de las interconexiones. Con señalización ultra rápida, particularmente con el uso de señalización multinivel, necesitarás considerar seriamente todas las pautas de diseño de alta velocidad presentadas aquí y comenzar a ponerlas en práctica.

Pautas Importantes de Enrutamiento de Alta Velocidad

Con velocidades altas alcanzando bien dentro del régimen subnanosegundo, particularmente en generaciones más nuevas de PCIe, y para soportar equipos de red de alta velocidad, cualquier diseñador debe tener en mente algunas pautas básicas de enrutamiento de PCB de alta velocidad. Con dispositivos más nuevos continuando rompiendo el límite de velocidad, lo más probable es que necesites tener en cuenta todas estas pautas, en lugar de elegir algunas para satisfacer tu aplicación.

Apilamiento para Enrutamiento de Impedancia Controlada e Integridad de Potencia

La estructura de su montaje es tan importante para la integridad de la señal como lo es para la integridad de la potencia. De manera similar, a medida que los anchos de banda de las señales se extienden más allá de las decenas de GHz, especialmente con esquemas de señalización multinivel (tome como ejemplo PAM4 para la red de 400G), necesitará controlar la impedancia de sus interconexiones para asegurar una terminación y emparejamiento adecuados. También necesitará dimensionar adecuadamente su traza para intentar minimizar el sonido de campana (es decir, amortiguar críticamente la respuesta transitoria) mientras mantiene la impedancia constante. Esto requiere una ingeniería de montaje meticulosa y un diseño de interconexión.

Enrutamiento de Pares Diferenciales y Emparejamiento de Longitud

Con el ruido de modo común siendo un problema mayor en la integridad de la señal, necesitará asegurar un acoplamiento suficiente a lo largo de la longitud de los pares diferenciales como parte del enrutamiento de impedancia controlada. Esto también requiere un emparejamiento de fase a lo largo de la longitud de un par diferencial. La región acoplada debe extenderse directamente al receptor, cuando sea posible, mientras que cualquier región no acoplada debe ser emparejada en longitud y confinada al conductor en su interconexión. Esto asegura que cualquier ruido de modo común se verá como si estuviera perfectamente en fase y, por lo tanto, completamente suprimido en el receptor.

Elija el Material del Sustrato Adecuado

Con tiempos de subida más rápidos surge la necesidad de encontrar materiales de sustrato con menor tangente de pérdida y dispersión plana. La dispersión es muy importante aquí ya que crea un cambio continuo en la impedancia y la constante de propagación a lo largo de la longitud de un interconector. Primero, la dispersión causa que los pulsos electromagnéticos (es decir, señales digitales) se expandan a medida que se propagan. Segundo, la impedancia vista en el borde ascendente de la señal no coincidirá con la vista en el borde descendente de la señal en presencia de una fuerte dispersión, lo que lleva a una fuerte distorsión. Debes asegurarte de que la constante dieléctrica sea plana con el ancho de banda relevante, que fácilmente abarca 30 GHz en PAM4 a 12 Gbps.

Trayectorias Cortas y Perforación hacia Atrás

Las trayectorias deben ser trazadas lo más cortas posible para que las pérdidas de potencia se minimicen. 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. Las vías también deben minimizarse en las trayectorias ya que pueden crear una discontinuidad de impedancia si no están diseñadas con una impedancia exacta. Cualquier vía presente en un interconector debe ser perforada hacia atrás, ya que cualquier tope de vía restante representa otra discontinuidad de impedancia, por lo tanto, presentan otra oportunidad para la reflexión de la señal. Estos topes también pueden resonar a altas velocidades/frecuencias, lo que significa que actuarán como antenas que acoplan ruido en interconectores cercanos.

Variación de la impedancia característica de microstrip con la frecuencia. Agradecimientos a Yuriy Shlepnev de Simberian por producir esta figura.

Alta Velocidad vs. Alta Tasa de Datos: Señalización Multinivel y Fibra

Con señales moduladas simples OOK o NRZ, efectivamente tienes dos niveles de señal que definen tus estados binarios ENCENDIDO/APAGADO. En efecto, tu tasa de datos está limitada por el tiempo de subida/bajada de las señales suministradas por el controlador en un interconector diferencial. El avance hacia tasas de datos más altas ha llevado los tiempos de subida y bajada al límite, alcanzando finalmente niveles de picosegundos a 32, 56 y 112 Gbps.

Esto también lleva las tolerancias de jitter a niveles extremadamente bajos, lo que requiere suficiente estabilidad de potencia para asegurar que el ripple del bus de potencia no se propague a la salida de un IC con un alto consumo de energía. Es común ver que se induce un jitter de ~1 ps/mV en ICs impulsados debido al ripple en un PDN. Aquí es donde la impedancia de tu PDN necesita alcanzar niveles de milliohmios o menos para disminuir el ripple en un PDN hasta un bajo ~2% para dispositivos de 1.2 V, lo que equivale a una fluctuación de voltaje de pico a pico de ~30 mV. Necesitarás reducir el jitter al nivel de ~1 ps o menos, lo cual se vuelve apropiado para PCBs que utilizan señalización multinivel.

A niveles de señal tan bajos, aumentar la tasa de datos requiere trabajar con una densidad de ancho de banda más alta al enrutar más canales en paralelo. En equipos de red, esto continuará utilizando señalización diferencial para interfaz con más canales multiplexados Tx y Rx paralelos en equipos de red de fibra óptica ultra rápidos. Las ópticas se están montando directamente en el PCB e interfazando con chips del sistema usando fotodiodos rápidos y VCSELs de mayor ancho de banda.

Ensamblaje óptico montado en placa para interfaz con un controlador de sistema en un backplane.

¿Cómo pueden los diseñadores seguir aumentando las tasas de datos para satisfacer las demandas en equipos de red más nuevos y otras aplicaciones avanzadas? En caso de que no veas hacia dónde va esto, comenzaremos a ver una convergencia entre óptica y electrónica a nivel de PCB que finalmente alcanzará el nivel de IC. Los principales fabricantes de IC ya se están uniendo para desarrollar una cadena de suministro para ICs fotónicos de silicio y para desarrollar algún nivel de estandarización para estos nuevos productos. Esto ayudará a aliviar muchos de los desafíos de integridad de señal y relajar algunas restricciones de diseño para la comunidad de PCB, pero también obligará a los diseñadores a repensar la forma en que crean productos avanzados.

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