L'émetteur-récepteur optique à haute vitesse sur les PCBs pour Gigabit et Ethernet

Surveillez de près votre processus de fabrication lors du routage et de la conception des émetteurs-récepteurs optiques

Le layout de PCB et la conception de canaux pour les émetteurs-récepteurs optiques repose en réalité sur la conception de PCB haute vitesse.

En effet, il faut prendre en compte tous les aspects de ce processus, en particulier pour les débits de données très élevés. Ceux qui atteignent 400 Gbps sur 10 pistes (soit 40 Gbps par voie !) sont possibles sur de longues distances en déployant des techniques de topologie et de routage adaptées.

Défis en matière de topologie et de routage des émetteurs-récepteurs optiques

Le routage entre les puces, ou entre une puce et un émetteur-récepteur optique, à des vitesses de réseau élevées, nécessite de tenir compte d'un certain nombre de règles de conception haute vitesse, tant pour un émetteur-récepteur individuel que pour le fond de panier qui en relie plusieurs.

Certains aspects particulièrement importants de ce type de conception se manifestent à des débits de données très élevés en Gbps, que nous aborderons plus en détail ci-dessous.

La conception d'une interconnexion typique entre une puce et un émetteur-récepteur, ou entre deux puces, dans le cadre de la conception de canaux haute vitesse, nécessite donc de prendre en compte les éléments suivants :

Matériau de substrat PCB

Le matériau de substrat détermine la constante diélectrique effective de la carte et sa tangente de perte. L'impédance de la piste augmente à mesure que la constante diélectrique du substrat diminue.

La géométrie d'une piste donnée doit donc être modifiée afin de s'assurer que l'impédance de la piste prend une valeur cohérente sur toute l'interconnexion.

La dispersion dans le substrat provoque le déplacement de différentes harmoniques qui comprennent un signal numérique se déplaçant à des vitesses différentes, ce qui provoque une distorsion et un étalement du signal.

Cela augmente la gigue de phase au niveau du récepteur. Par conséquent, vous devez choisir un matériau de substrat doté d'une constante diélectrique plate à des fréquences comprises entre celle de la répétition du signal et la fréquence de coude.

Le substrat doit également présenter de faibles pertes. Notez qu'il n'est pas toujours possible de satisfaire ces deux exigences simultanément dans chaque bande de fréquence.

Considérations relatives à la fabrication

Aux temps de montée très rapides des signaux nécessaires pour les réseaux à haut débit, les discontinuités d'impédance doivent être réduites au minimum sur toute la carte. Cela signifie que l’utilisation de vias doit être réduite au minimum sur les interconnexions haute vitesse.

L’impédance d’une piste donnée peut varier en raison des variations de la rugosité de surface et de la géométrie, ce qui peut engendrer des problèmes d’intégrité du signal qui contribuent à la gigue.

Vous devez également tenir compte d'un autre élément relatif à la rugosité de surface. En effet, à des vitesses très élevées, le courant d'entrée/sortie d'une piste a tendance à se déposer près du bord d'un conducteur en cuivre en raison de l'effet de peau, ce qui entraîne une augmentation des pertes résistives.

Les conducteurs en cuivre peuvent être électrodéposés ou pressés et laminés. Ce dernier procédé tend à produire des conducteurs avec des surfaces plus lisses ; nous vous recommandons donc de l'exploiter afin de réduire les pertes résistives dans une interconnexion.

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L'empilage des couches

Les recommandations en matière de routage pour Ethernet sur cuivre sont généralement mises en œuvre sur des circuits imprimés à 2 ou 4 couches avec des îlots d'alimentation et de masse.

Dans les PCB haute vitesse pour les émetteurs-récepteurs optiques, la désignation des couches de signal à haute vitesse au sein de l'empilage affecte directement les performances du signal.

Les cartes qui incluent un ou plusieurs FPGA montés sur BGA utilisent généralement des empilages d'au moins 6 couches, car cela permet de fournir le nombre nécessaire de couches de signaux pour le routage d'échappement à partir du BGA.

Le routage par ligne ruban à Gbps et à des vitesses de transmission plus rapides est réputé pour conduire à des pertes plus faibles que le routage par microruban.

En outre, il sera inévitablement utilisé pour échapper à un FPGA à haute densité de broches ou à un autre contrôleur.

Lorsqu'elles sont routées entre deux plans conducteurs, les pistes par ligne ruban présentent une certaine immunité naturelle aux interférences électromagnétiques externes. Toutefois, un diélectrique plus épais est nécessaire pour atteindre une valeur d'impédance contrôlée donnée et les vias doivent être utilisés au niveau des connexions PHY, MAC et émetteur-récepteur.

Tous les vias placés sur ces interconnexions à haute vitesse doivent être percés pour éviter la résonance du stub.

Gigue et routage

La partie la plus complexe de la mise en place d'un émetteur-récepteur optique n'est pas nécessairement le taux de transfert des données, mais plutôt le temps de montée des signaux électriques convertis. C’est le facteur limitant qui détermine l’impact des effets de signalisation à haute vitesse dans tout circuit imprimé.

Lorsque le débit de données augmente, le temps de montée du signal doit également diminuer. Dans le domaine des télécommunications, on parle souvent de l'intervalle d'unité (UI), qui peut désigner la durée d'existence d'un symbole donné dans un flux de données. À 50 Gbps dans une seule voie, l'UI désigne uniquement l'inverse du débit de données, soit 20 ps/baud.

La gigue constitue seulement un facteur déterminant des taux d'erreur sur les bits. Or, pour maintenir l'intégrité des données à un taux d'erreur sur les bits inférieur à un certain maximum, il faut la maintenir en dessous d'une certaine marge autorisée.

Cette marge est généralement exprimée proportionnellement à l'UI. Par exemple, une marge de gigue de 0,05 UI correspond à une gigue maximale de 2 ps dans une voie de 25 Gbps (UI = 40 ps/baud). La gigue doit donc être traitée au niveau de la puce, car elle nécessite une transmission extrêmement stable, ainsi qu'au niveau du circuit imprimé, avec un layout et une fabrication adaptés.

Modules émetteurs-récepteurs optiques dans un commutateur réseau à fibre optique

La diaphonie peut induire une gigue, il faut donc veiller à l'éviter entre les connexions de l'émetteur-récepteur.

La signalisation différentielle est généralement utilisée car elle offre une immunité au bruit en mode commun et réduit la diaphonie inductive entre les pistes.

En plaçant un plan de masse aussi près que possible de la couche de surface, vous aurez ainsi plus de chances d'éliminer la diaphonie et les interférences électromagnétiques.

La marge de gigue déterminera également la limite de décalage de longueur autorisée entre chaque extrémité d'une paire différentielle. Ce décalage, combiné à la gigue, entraîne des décalages successifs pour les signaux circulant sur une interconnexion.

Compte tenu des temps de montée très rapides utilisés en Gbps et Fast Ethernet, y compris pour l'Ethernet sur fibre, les interconnexions entre l’émetteur-récepteur et la puce, ou entre deux puces, doivent être très courtes.

Dans le cas contraire, le comportement de la ligne de transmission sera facilement remarqué et corrompra vos signaux. Ces lignes doivent donc être terminées et/ou leur impédance doit être adaptée pour empêcher la réflexion du signal.

Avec des schémas de modulation tels que la 4PAM, une réflexion élevée au niveau du signal est susceptible de créer une augmentation significative du FEC en raison de la réponse en escalier dans les signaux numériques due aux réflexions répétées.

Le routage à impédance contrôlée constitue donc un enjeu essentiel, car il permet de réduire le nombre de réseaux d'adaptation de l'impédance nécessaires sur la carte.

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