Tout sur la longueur de vos pistes de PCB : Quelle est la longueur excessive ?

De temps en temps, je reçois une question d'un lecteur qui suscite mon intérêt et qui finit par déclencher un débat animé, une plongée dans la recherche, ou une session de questions-réponses. Une question récente que j'ai reçue concerne la longueur des pistes de PCB, les normes de signalisation et les spécifications des composants. Voici la question paraphrasée :

Quelle est la limite de longueur typique pour une piste à haute vitesse ?

C'est toujours une question amusante car elle peut être abordée sous plusieurs angles. Dans ce cas, le composant fonctionnait sur PCIe à haute vitesse sur un stratifié standard (Dk ~4 et Df ~0.02 à l'extrémité supérieure de la bande passante). Il ne devrait pas être trop difficile de voir que la question sous-entend l'augmentation de la longueur de la piste de l'edge connector au récepteur, et si oui ou non le composant peut tolérer la distance accrue et toujours récupérer un signal dans le canal.

Comment procéderiez-vous pour enquêter sur la longueur maximale de piste de PCB que vous pouvez tolérer dans ce canal ? La réalité est qu'il n'existe pas de valeur unique de longueur maximale de piste de PCB pour aucun standard de signalisation pour plusieurs raisons. Au lieu de cela, nous devons examiner les pertes dans le canal au fur et à mesure que le signal se propage. Dans ce composant particulier, la réponse était plutôt surprenante. Continuez à lire pour en savoir plus.

La réponse : Considérez la perte totale

La longueur maximale de trace de PCB que vous pouvez placer entre deux composants dépend de plusieurs facteurs. Ceux-ci incluent :

• Protocole de signalisation : Les normes de signalisation spécifient un niveau minimal de performance auquel une interconnexion devrait être conçue. Ces exigences ne garantissent pas que la conception fonctionnera, mais elles vous donnent une base à utiliser pour les objectifs de conception.
• Spécifications des composants : Certains composants peuvent dépasser les exigences de votre norme de signalisation, mais cela ne garantit toujours pas que le canal fonctionnera.
• Stratifié de PCB et pertes : Toutes les pertes dans le stratifié de PCB réduiront l'amplitude du signal et produiront de la distorsion, donc ces sources de pertes doivent être incluses lors de la détermination de la longueur de trace.
• Décalage et distorsion de phase : Le décalage peut s'accumuler dans certains cas, en fonction du chemin de routage, en raison de l'effet de tissage des fibres. Cela pose principalement problème dans la partie du signal occupant environ 20 GHz et des fréquences plus élevées, ce qui produit une distorsion de phase dans le signal.

Les pertes s'accumulent le long d'une trace

Avec tout cela à l'esprit, examinons où s'accumulent les pertes le long du canal. L'image ci-dessous montre les pertes totales dans notre exemple de canal en considération. Certaines de ces pertes ont été regroupées le long de la longueur des pistes. Peu importe l'origine des pertes, nous les additionnons simplement toutes en dB, et nous pouvons les convertir en valeur d'atténuation décimale si nous le souhaitons.

Le point ici est le suivant : peu importe d'où viennent les pertes, elles s'additionneront toutes pour limiter la puissance qui atteint le récepteur. Étant donné que le signal ne peut subir qu'une certaine quantité de pertes avant de devenir irrécupérable, la perte totale limitera la longueur de la piste PCB à une valeur maximale.

Perte d'Insertion Accumulée

La perte d'insertion (spécifiée en dB) le long d'une trace individuelle dépend de la longueur et est liée à la longueur et à la partie réelle de la constante de propagation :

Tant que vous connaissez la constante de propagation et la longueur de l'interconnexion, vous connaissez la perte totale ; il s'agit simplement de la perte d'insertion plus la perte de retour à chaque interface le long de l'interconnexion. Si vous le souhaitez, vous pouvez inverser cette relation pour la perte d'insertion et déterminer une perte acceptable et une longueur de trace maximale tant que (vous pouvez déterminer la constante de propagation).

Et si une Longueur est Spécifiée ?

Revenons un instant à la question initiale. Dans cet échange, le composant récepteur a spécifié une longueur maximale de trace de PCB en termes de temps, plutôt qu'en termes de budget de perte ou de longueur de trace littérale. En d'autres termes, ils supposent que vous connaissez la vitesse de groupe/de phase (ou le retard de propagation) pour les signaux se déplaçant sur l'interconnexion. Si vous connaissez la dispersion, alors vous savez que vous devrez faire de l'appariement de longueur de trace de PCB versus fréquence parce que la vitesse du signal varie avec la fréquence.

Que vous voyiez une longueur spécifique indiquée ou un temps spécifié, chaque valeur ne s'appliquera que pour un stratifié de PCB et une géométrie de trace spécifiques. Si vous utilisez un matériau de stratifié de PCB différent ou une géométrie de trace différente, la valeur de longueur n'est plus valide car les pertes subies le long de cette longueur de trace seront différentes. Dans ce cas, vous devez convertir la longueur maximale spécifiée de la trace de PCB en une nouvelle longueur de trace en utilisant la constante de propagation correspondant à la perte maximale sur l'interconnexion. Vous pouvez utiliser le rapport :

où γ est la constante de propagation pour le signal, et L est une valeur de longueur. Ici, j'ai pris la valeur réelle de γ car cela nous indique la perte le long de l'interconnexion. Si vous regardez la première équation ci-dessus, il devrait être facile de voir que le côté gauche n'est qu'un budget de perte. Prendre ces valeurs ensemble avec les valeurs appropriées de votre constante de propagation vous donne la nouvelle longueur maximale de trace de PCB.

Les simulations et les solveurs de champs peuvent aider

Il y a quelques étapes qui peuvent être prises au niveau de la conception pour augmenter la longueur de trace autorisée afin d'éviter une perte excessive :

• Utilisez des matériaux à faibles pertes, tels qu'un stratifié à base de PTFE
• Choisissez un connecteur avec moins de pertes
• Supprimez les vias superflus et forez à nouveau les stubs de via
• Essayez de modifier la géométrie de la trace pour qu'elle ait moins de pertes

Si une contrainte de temps ou de longueur vous est imposée pour votre interconnexion, vous avez juste besoin de la constante de propagation de vos anciennes et nouvelles interconnexions pour déterminer la nouvelle longueur. Si vous utilisez Altium Designer, vous pouvez utiliser le Gestionnaire de pile de couches pour calculer le retard de propagation pour vos réseaux à impédance contrôlée, et vous pouvez utiliser cela pour définir une limite de longueur de trace sur les classes de réseau pertinentes.

Pour des calculs plus avancés impliquant l'extraction de paramètres S, les utilisateurs d'Altium Designer® peuvent utiliser l'extension EDB Exporter pour importer leur conception dans les solveurs de champ Ansys. C'est une manière simple de qualifier une conception avec une application de solveur de champ puissante avant de commencer une série de prototypage.

Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez envoyer les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365 facilite la collaboration et le partage de vos projets. Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qu'il est possible de faire avec Altium Designer sur Altium 365. Vous pouvez consulter la page du produit pour une description plus détaillée des fonctionnalités ou l'un des Webinaires à la Demande.