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    Recommandations en matière de routage haute vitesse pour les PCB sophistiqués

    Zachariah Peterson
    |  September 13, 2020
    Vous pouvez créer cette carte sophistiquée à l'aide de ces recommandations de routage haute vitesse pour les cartes de circuits imprimés sophistiquées

    La vitesse des nouvelles conceptions ne cesse d'augmenter, avec le PCIe 5.0 qui atteint 32 Gb/s et le PAM4 qui repousse les limites d'intégrité du signal et de vitesse. Une conception appropriée des interconnexions doit tenir compte des marges de bruit plus faibles des dispositifs sophistiqués, des exigences de stabilité impeccable de l'alimentation, et de bien d'autres choses pour garantir une bonne réception des signaux.

    Comme les dispositifs sophistiqués fonctionnent à des niveaux de signal inférieurs, les recommandations en matière de routage haute vitesse visent à prévenir la perte de signal, la distorsion et les réflexions dues aux ruptures d'impédance dans les interconnexions. Avec la transmission ultrarapide des signaux, notamment l'utilisation de la transmission de signaux à plusieurs niveaux, vous devez étudier sérieusement toutes les recommandations de conception haute vitesse présentées dans ce blog et commencer à les mettre en pratique.

    Recommandations importantes en matière de routage haute vitesse

    Étant donné que les hautes vitesses atteignent des valeurs bien inférieures à la nanoseconde, en particulier dans les nouvelles générations de PCIe, et pour prendre en charge les équipements réseau haut vitesse, tout concepteur devrait garder à l'esprit certaines recommandations de base sur le routage des PCB haute vitesse. Comme les nouveaux dispositifs continuent à repousser la limite de vitesse, il vous faudra très probablement garder toutes ces recommandations à l'esprit, plutôt que d'en choisir quelques-unes qui répondent vos besoins.

    Empilage pour la réalisation d'un routage à impédance contrôlée et l'intégrité des alimentations

    Votre empilage est aussi important pour l'intégrité du signal que pour l'intégrité des alimentations. De même, comme les bandes passantes de signaux dépassent les 10 GHz, en particulier dans les systèmes de transmission de signaux à plusieurs niveaux (prenez l'exemple de PAM4 pour les réseaux 400G), vous allez devoir contrôler l'impédance de vos interconnexions pour assurer une terminaison et une égalisation correctes. Vous allez également devoir dimensionner correctement votre piste pour essayer de minimiser l'oscillation (à savoir amortir de manière critique la réponse transitoire) tout en maintenant la constance de l'impédance. Cela nécessite une technique d'empilage et une conception des interconnexions méticuleuses.

    Routage de paires différentielles et réglage des longueurs

    Le bruit en mode commun étant un problème majeur dans l'intégrité du signal, vous devrez réaliser un couplage suffisant sur toute la longueur des paires différentielles dans le cadre du routage à impédance contrôlée. Cela nécessite également un couplage de phase sur toute la longueur d'une paire différentielle. La région couplée devra autant que possible s'étendre jusqu'au récepteur, tandis que toute région découplée devra être réglée en longueur et limitée au conducteur de votre interconnexion. Cela garantit que tout bruit en mode commun sera perçu comme étant parfaitement en phase et qu'il sera donc totalement supprimé au niveau du récepteur.

    Choix du matériau de substrat approprié

    Les temps de montée étant plus rapides, il faut trouver des matériaux de substrat offrant une tangente de perte plus faible et une dispersion plane. La dispersion est très importante dans ce cas, car elle crée une variation continue de l'impédance et une constante de propagation sur la longueur d'une interconnexion. Dans un premier temps, la dispersion provoque la dispersion des impulsions électromagnétiques (c'est-à-dire des signaux numériques) au fur et à mesure de leur propagation. Ensuite, en présence d'une forte dispersion, l'impédance observée au niveau du front montant du signal ne correspond pas à celle observée au niveau du front descendant du signal, ce qui entraîne une forte distorsion. Vous devez vous assurer que la constante diélectrique est plate et que la bande passante correspondante couvre facilement 30 GHz dans PAM4 à 12 Gbps.

    Pistes courtes et contre-perçage

    Le routage des pistes doit être aussi court que possible afin de minimiser les pertes d'alimentation. Dans le cas où la dispersion est un problème, cela permet de minimiser la distorsion des impulsions, car les impulsions s'étirent en raison de la dispersion. Le nombre de vias doit également être réduit au minimum sur les pistes car ils peuvent créer une rupture d'impédance s'ils ne sont pas conçus pour une impédance rigoureuse. Tous les vias se trouvant sur une interconnexion doivent être contre-percés, car tout reste de métallisation via constitue une autre rupture d'impédance, et donc une autre possibilité de réflexion du signal. Ces métallisations peuvent également provoquer une résonance à des vitesses/fréquences élevées, ce qui signifie qu'ils agiront comme des antennes qui couplent le bruit dans les interconnexions à proximité.

     

    Impédance des microrubans de PCB par rapport à la fréquence
    Variation de l'impédance caractéristique des microrubans (couche extérieure) en fonction de la fréquence. Merci à Yuriy Shlepnev de Simberian d'avoir présenté ce chiffre.

     

    Haute vitesse par rapport au haut débit des données : transmission de signal à plusieurs niveaux et fibre

    Avec de simples signaux modulés OOK ou NRZ, vous disposez en fait de deux niveaux de signal qui définissent vos états binaires ON/OFF. En effet, votre débit de données est limité par le temps de montée/descente des signaux fournis par le conducteur sur une interconnexion différentielle. Le passage à des débits de données plus élevés a porté les temps de montée et de descente à la limite, pour finalement descendre à des niveaux picoseconde de 32, 56 et 112 Gbps.

    Cela amène également les tolérances de gigue à des niveaux extrêmement bas, ce qui nécessite une stabilité d'alimentation suffisante pour garantir que l'ondulation du bus d'alimentation ne se propage pas à la sortie d'un circuit intégré à forte consommation. On observe fréquemment l'induction d'une gigue d'environ 100 ps/mV dans des circuits intégrés stimulés en raison de l'ondulation d'un PDN. C'est à ce moment là que l'impédance de votre PDN doit atteindre des niveaux inférieurs au milliOhm afin de réduire l'ondulation d'un PDN jusqu'à environ 2 % pour les appareils de 1,2 V, ce qui équivaut à une fluctuation de tension crête à crête d'environ 30 mV. Vous devrez ramener la gigue au niveau d'environ 1 ps ou moins, ce qui convient aux circuits imprimés qui utilisent une transmission de signal à plusieurs niveaux.

    À des niveaux de signal aussi faibles, l'augmentation du débit de données nécessite de travailler avec une densité de bande passante plus élevée en procédant au routage de davantage de canaux en parallèle. Dans le domaine des équipements réseau, on continuera à utiliser la transmission de signal différentielle pour interfacer avec un plus grand nombre de canaux multiplexés Tx et Rx parallèles dans les équipements réseau à fibres optiques ultrarapides. Les optiques sont montées directement sur le circuit imprimé et s'interfacent avec les puces du système en utilisant des photodiodes rapides et des VCSEL à plus large bande passante.

    BOA et recommandations pour le routage de PCB haute vitesse
    Assemblage d'optiques montées sur carte pour l'interfaçage avec un contrôleur de système sur un fond de panier.

     

    Comment les concepteurs peuvent-ils continuer à augmenter les débits de données pour répondre à la demande d'équipements réseau plus récents et d'autres applications avancées ? Au cas où vous ne verriez pas où cela mène, nous allons commencer à voir une convergence entre l'optique et l'électronique au niveau des PCB et celle-ci finira par toucher les circuits intégrés. Les principaux fabricants de CI se réunissent déjà pour mettre au point une chaîne d'approvisionnement pour les circuits intégrés photoniques silicium et pour développer un certain niveau de normalisation pour ces nouveaux produits. Cela permettra d'atténuer un bon nombre de problèmes d'intégrité du signal et d'alléger certaines contraintes de conception pour la communauté des PCB, mais cela obligera également les concepteurs à repenser la façon de concevoir des produits sophistiqués.

    L'ensemble complet d'outils de routage présent dans Altium Designer® est idéal pour définir et mettre en œuvre les présentes recommandations de routage haute vitesse pour les PCB, et bien plus encore. Vous pouvez définir vos recommandations importantes en matière de routage haute vitesse comme des règles de conception et examiner l'intégrité du signal à l'aide de puissants outils de simulation. Ces outils sont intégrés dans une plateforme unique, ce qui permet de les inclure rapidement dans votre flux de travail.

    Contactez-nous ou téléchargez une version d'évaluation gratuite si vous souhaitez en savoir plus sur Altium Designer. Vous aurez accès aux meilleurs outils de mise en page, de simulation et de gestion des données du secteur en un seul programme. Parlez à un expert Altium dès aujourd'hui pour en savoir plus.
     

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    Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University. He conducted his Physics M.S. research on chemisorptive gas sensors and his Applied Physics Ph.D. research on random laser theory and stability.His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental systems, and financial analytics. His work has been published in several peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written hundreds of technical blogs on PCB design for a number of companies. Zachariah works with other companies in the PCB industry providing design and research services. He is a member of IEEE Photonics Society and the American Physical Society.

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