Tutto sulla lunghezza delle piste del tuo PCB: Quanto è troppo lungo?

Ogni tanto, ricevo una domanda da un lettore che suscita il mio interesse e finisce per scatenare un vivace dibattito, un'immersione nella ricerca o una sessione di domande e risposte. Una domanda recente che ho ricevuto riguarda la lunghezza delle tracce PCB, gli standard di segnalazione e le specifiche dei componenti. Ecco la domanda parafrasata:

Qual è il limite di lunghezza tipico per una traccia ad alta velocità?

Questa è sempre una domanda interessante perché può essere affrontata da molteplici angolazioni. In questo caso, il componente operava su PCIe ad alte velocità su un laminato standard (Dk ~4 e Df ~0.02 all'estremità superiore della banda). Non dovrebbe essere troppo difficile vedere che la domanda suggerisce di aumentare la lunghezza della traccia dal connettore di bordo al ricevitore, e se il componente può tollerare la distanza aumentata e comunque recuperare un segnale nel canale.

Come procederesti per investigare la massima lunghezza di traccia PCB tollerabile in questo canale? La realtà è che non esiste un singolo valore massimo di lunghezza di traccia PCB per alcuno standard di segnalazione per molteplici motivi. Invece dobbiamo guardare alle perdite nel canale man mano che il segnale si propaga. In questo particolare componente, la risposta è stata piuttosto sorprendente. Continua a leggere per saperne di più.

La Risposta: Considerare la Perdita Totale

La lunghezza massima della traccia PCB che puoi posizionare tra due componenti dipende da molteplici fattori. Questi includono:

• Protocollo di segnalazione: Gli standard di segnalazione specificano un livello minimo di prestazione per cui un interconnettore dovrebbe essere progettato. Questi requisiti non garantiscono che il design funzionerà, ma offrono una base da utilizzare per gli obiettivi di progettazione.
• Specifiche dei componenti: Alcuni componenti possono superare i requisiti del tuo standard di segnalazione, ma ciò non garantisce ancora che il canale funzionerà.
• Laminato PCB e perdite: Tutte le perdite nel laminato PCB ridurranno l'ampiezza del segnale e produrranno distorsione, quindi queste fonti di perdita devono essere incluse quando si determina la lunghezza della traccia.
• Skew e distorsione di fase: Lo skew può accumularsi in alcuni casi, a seconda del percorso di routing, a causa dell'effetto della tessitura delle fibre. Questo è per lo più problematico nella parte del segnale che occupa frequenze di ~20 GHz e superiori, il che produce distorsione di fase nel segnale.

Le Perdite si Accumulano Lungo una Traccia

Con tutto ciò in mente, diamo un'occhiata a dove si accumulano le perdite lungo il canale. L'immagine sottostante mostra le perdite totali nel nostro canale di esempio preso in considerazione. Alcune di queste perdite sono state raggruppate lungo la lunghezza delle tracce. Indipendentemente da dove originano le perdite, le sommiamo semplicemente tutte in dB, e possiamo convertirle di nuovo in un valore di attenuazione decimale se vogliamo.

Il punto qui è questo: non mi interessa davvero da dove provengono le perdite, si sommeranno tutte per limitare la potenza che raggiunge il ricevitore. Poiché il segnale può sopportare solo una certa quantità di perdita prima di diventare irrecuperabile, la perdita totale limiterà la lunghezza della traccia del PCB ad un certo valore massimo.

Perdita di Inserzione Accumulata

La perdita di inserzione (specificata in dB) lungo una traccia individuale dipende dalla lunghezza ed è correlata alla lunghezza e alla parte reale della costante di propagazione:

Finché si conosce la costante di propagazione e la lunghezza dell'interconnessione, si conosce la perdita totale; è semplicemente la perdita di inserzione più la perdita di ritorno in ogni interfaccia lungo l'interconnessione. Se si vuole, si può invertire questa relazione per la perdita di inserzione e determinare una perdita accettabile e una lunghezza massima della traccia purché (si possa determinare la costante di propagazione).

Cosa succede se viene Specificata una Lunghezza?

Ritorniamo per un momento alla domanda originale. In questo scambio, il componente ricevente ha specificato una lunghezza massima della traccia del PCB in termini di tempo, piuttosto che in termini di un budget di perdita o lunghezza letterale della traccia. In altre parole, stanno assumendo che tu conosca la velocità di gruppo/fase (o ritardo di propagazione) per i segnali che viaggiano sull'interconnessione. Se si conosce la dispersione, allora si sa che si dovrà fare l'abbinamento della lunghezza della traccia del PCB rispetto alla frequenza perché la velocità del segnale varia con la frequenza.

Sia che si veda una lunghezza specifica indicata o un tempo specificato, entrambi i valori si applicano solo per un particolare laminato PCB e geometria della traccia. Se si utilizza un materiale laminato PCB diverso o una geometria della traccia diversa, il valore della lunghezza non è più valido perché le perdite lungo quella lunghezza di traccia saranno diverse. In questo caso, è necessario convertire la lunghezza massima specificata della traccia PCB in una nuova lunghezza di traccia utilizzando la costante di propagazione corrispondente alla massima perdita sull'interconnessione. È possibile utilizzare il rapporto:

dove γ è la costante di propagazione per il segnale, e L è un valore di lunghezza. Qui, ho preso il valore reale di γ poiché ciò ci indica la perdita lungo l'interconnessione. Se si guarda la prima equazione sopra, dovrebbe essere facile vedere che il lato sinistro è solo un budget di perdita. Prendendo questi valori insieme ai valori appropriati della vostra costante di propagazione, si ottiene la nuova lunghezza massima della traccia PCB.

Le Simulazioni e i Risolutori di Campo Possono Aiutare

Ci sono alcuni passi che possono essere intrapresi a livello di progettazione per aumentare la lunghezza consentita della traccia per prevenire perdite eccessive:

• Utilizza materiali a minor perdita, come un laminato a base di PTFE
• Scegli un connettore con perdite minori
• Rimuovi le vie in eccesso e esegui il backdrill degli stub delle vie
• Prova a modificare la geometria della traccia in modo che abbia minori perdite

Se ti viene dato un vincolo di tempo o lunghezza per il tuo interconnettore, hai solo bisogno della costante di propagazione dei tuoi vecchi e nuovi interconnettori per determinare la nuova lunghezza. Se stai utilizzando Altium Designer, puoi usare il Layer Stack Manager per calcolare il ritardo di propagazione per le tue reti a impedenza controllata, e puoi usare questo per impostare un limite di lunghezza della traccia sulle classi di rete pertinenti.

Per calcoli più avanzati che coinvolgono l'estrazione di parametri S, gli utenti di Altium Designer® possono utilizzare l'estensione EDB Exporter per importare il loro progetto nei risolutori di campo Ansys. Questo è un modo semplice per qualificare un progetto con un potente applicativo di risoluzione di campo prima di iniziare una serie di prototipi.

Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi inviare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365 rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti. Abbiamo appena iniziato a scoprire cosa è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Puoi consultare la pagina del prodotto per una descrizione delle funzionalità più dettagliata o uno degli Webinar On-Demand.