Directives pour le routage à haute vitesse des PCB avancés

Vous pouvez créer cette carte avancée avec ces directives de routage à haute vitesse pour les PCB avancés

Les nouveaux designs continuent de devenir plus rapides, avec PCIe 5.0 atteignant 32 Gb/s, et PAM4 poussant l'intégrité du signal et les vitesses à la limite. Une conception d'interconnexion appropriée doit tenir compte des marges de bruit plus faibles des dispositifs avancés, des exigences impeccables en matière de stabilité de l'alimentation, et bien plus encore pour garantir que les signaux puissent être reçus correctement.

Avec des dispositifs avancés fonctionnant à des niveaux de signal plus bas, les directives de routage à haute vitesse se concentrent sur la prévention de la perte de signal, de la distorsion et des réflexions dues aux discontinuités d'impédance à travers les interconnexions. Avec une signalisation ultra-rapide, en particulier avec l'utilisation de la signalisation multiniveau, vous devrez sérieusement considérer toutes les directives de conception à haute vitesse présentées ici et commencer à les mettre en pratique.

Directives importantes de routage à haute vitesse

Avec des vitesses atteignant bien le régime sub-nanoseconde, en particulier dans les nouvelles générations de PCIe, et pour soutenir l'équipement de réseautage à haute vitesse, tout concepteur devrait garder à l'esprit quelques directives de base de routage PCB à haute vitesse. Avec de nouveaux dispositifs continuant à briser la limite de vitesse, vous aurez très probablement besoin de garder toutes ces directives à l'esprit, plutôt que d'en choisir quelques-unes pour satisfaire votre application.

Empilement pour le routage à impédance contrôlée et l'intégrité de l'alimentation

Votre empilement est aussi important pour l'intégrité du signal que pour l'intégrité de la puissance. De même, à mesure que les largeurs de bande des signaux s'étendent plus loin dans les dizaines de GHz, en particulier avec des schémas de signalisation à niveaux multiples (prenez par exemple le PAM4 pour le réseau 400G), vous devrez contrôler l'impédance de vos interconnexions pour assurer une terminaison et un appariement appropriés. Vous devrez également dimensionner correctement votre trace pour essayer de minimiser le tintement (c'est-à-dire, amortir de manière critique la réponse transitoire) tout en maintenant l'impédance constante. Cela nécessite une ingénierie d'empilement et une conception d'interconnexion méticuleuses.

Le Routage de Paires Différentielles et l'Appariement des Longueurs

Avec le bruit de mode commun étant un problème majeur dans l'intégrité du signal, vous devrez vous assurer d'une couplage suffisant sur toute la longueur des paires différentielles dans le cadre du routage à impédance contrôlée. Cela nécessite également un appariement de phase sur toute la longueur d'une paire différentielle. La région couplée devrait s'étendre directement jusqu'au récepteur, lorsque cela est possible, tandis que toute région non couplée devrait être appariée en longueur et confinée au conducteur dans votre interconnexion. Cela garantit que tout bruit de mode commun sera perçu comme étant parfaitement en phase et donc entièrement supprimé au niveau du récepteur.

Choisissez le Bon Matériau de Substrat

Avec des temps de montée plus rapides, il devient nécessaire de trouver des matériaux de substrat présentant un faible facteur de perte et une dispersion plate. La dispersion est très importante ici car elle crée un changement continu dans l'impédance et la constante de propagation le long de la longueur d'un interconnect. Premièrement, la dispersion provoque l'étalement des impulsions électromagnétiques (c'est-à-dire, les signaux numériques) lors de leur propagation. Deuxièmement, l'impédance observée à l'arête montante du signal ne correspondra pas à celle observée à l'arête descendante du signal en présence d'une forte dispersion, entraînant une forte distorsion. Vous devriez vous assurer que la constante diélectrique est plate avec la bande passante pertinente, qui couvre facilement 30 GHz dans PAM4 à 12 Gbps.

Traces Courtes et Retour de Forage

Les traces doivent être routées aussi courtes que possible afin que les pertes de puissance soient minimisées. Dans le cas où la dispersion pose problème, cela aide à minimiser la distorsion des impulsions, car les impulsions s'étireront en raison de la dispersion. Les vias doivent également être minimisés sur les traces car ils peuvent créer une discontinuité d'impédance s'ils ne sont pas conçus avec une impédance exacte. Tous les vias présents sur un interconnect doivent être retournés de forage, car tout moignon de via restant représente une autre discontinuité d'impédance, présentant ainsi une autre opportunité de réflexion du signal. Ces moignons peuvent également résonner à des vitesses/fréquences élevées, signifiant qu'ils agiront comme des antennes qui couplent le bruit dans les interconnects proches.

Variation de l'impédance caractéristique des microbandes avec la fréquence. Merci à Yuriy Shlepnev de Simberian pour avoir produit cette figure.

Vitesse élevée vs. Débit de données élevé : Signalisation multiniveau et Fibre

Avec des signaux simples modulés OOK ou NRZ, vous avez effectivement deux niveaux de signal qui définissent vos états binaire ON/OFF. En effet, votre débit de données est limité par le temps de montée/descente des signaux tels que fournis par le pilote sur une interconnexion différentielle. Le passage à des débits de données plus élevés a poussé les temps de montée et de descente à la limite, atteignant finalement des niveaux de picoseconde à 32, 56 et 112 Gbps.

Cela pousse également les tolérances de jitter à des niveaux extrêmement bas, ce qui nécessite une stabilité de puissance suffisante pour garantir que l'ondulation du bus d'alimentation ne se propage pas à la sortie d'un CI avec une forte consommation d'énergie. Il est courant de voir un jitter d'environ ~1 ps/mV être induit dans les CI entraînés en raison de l'ondulation sur un PDN. C'est là que l'impédance de votre PDN doit atteindre des niveaux de milliOhms ou moins afin de réduire l'ondulation sur un PDN à aussi peu que ~2% pour des dispositifs de 1,2 V, ce qui équivaut à une fluctuation de tension de crête à crête d'environ ~30 mV. Vous aurez besoin de réduire le jitter au niveau de ~1 ps ou moins, ce qui devient approprié pour les PCBs utilisant une signalisation multiniveau.

Avec de tels niveaux de signal bas, augmenter le débit de données nécessite de travailler avec une densité de bande passante plus élevée en acheminant plus de canaux en parallèle. Dans l'équipement de réseau, cela continuera d'utiliser la signalisation différentielle pour interfacer avec plus de canaux multiplexés Tx et Rx parallèles dans des équipements de réseau en fibre optique ultra-rapides. Les optiques sont montées directement sur le PCB et interfacent avec les puces système en utilisant des photodiodes rapides et des VCSELs à bande passante plus élevée.

Assemblage optique monté sur carte pour l'interface avec un contrôleur système sur un fond de panier.

Comment les concepteurs peuvent-ils continuer à augmenter les débits de données pour répondre aux exigences des nouveaux équipements de réseau et d'autres applications avancées ? Au cas où vous ne voyez pas où cela nous mène, nous commencerons à assister à une convergence entre l'optique et l'électronique au niveau du PCB qui atteindra finalement le niveau du CI. Les principaux fabricants de CI se réunissent déjà pour développer une chaîne d'approvisionnement pour les CI photoniques en silicium et pour développer un certain niveau de standardisation pour ces nouveaux produits. Cela aidera à atténuer de nombreux défis d'intégrité des signaux et à assouplir certaines contraintes de conception pour la communauté des PCB, mais cela forcera également les concepteurs à repenser la manière dont ils créent des produits avancés.

L'ensemble complet d'outils de routage dans Altium Designer^® est idéal pour définir et mettre en œuvre les directives de routage PCB à haute vitesse présentées ici, et bien plus encore. Vous pouvez définir vos directives de routage à haute vitesse importantes comme des règles de conception et examiner l'intégrité des signaux avec des outils de simulation puissants. Ces outils sont intégrés dans une seule plateforme, leur permettant d'être rapidement incorporés dans votre flux de travail.

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