Uno Studio Breve sui Stub su un Connettore PCIe

Gli stub sono un argomento importante nella progettazione di PCB ad alta velocità, e esiste una linea guida consolidata secondo cui gli stub dovrebbero sempre essere rimossi da tutte le vie nei collegamenti digitali ad alta velocità. Sebbene gli stub siano dannosi per le linee ad alta velocità, non è sempre necessario rimuoverli. Ciò che è più importante è prevedere il profilo di perdita e le frequenze, e pianificare adeguatamente per cercare di prevenire tali perdite.

In questo articolo, esaminerò alcuni risultati di simulazione con il routing PCIe su un PCB ad alta velocità utilizzando l'esempio del progetto MiniPC che viene fornito in Altium Designer. La simulazione in questione coinvolgerà il calcolo degli S-parametri per le corsie PCIe provenienti da un connettore. Guardare questi risultati di simulazione dovrebbe aiutare i progettisti meno esperti a comprendere meglio come gli stub sulle transizioni via e connettore influenzino l'integrità del segnale da una prospettiva di simulazione, il che può aiutarvi a fare le scelte giuste in termini di selezione dei componenti, posizionamento e routing.

Potenziali Problemi Con Gli Stub e il Routing PCIe

Nel routing PCIe, le corsie sono instradate come coppie differenziali con condensatori di accoppiamento AC. È tipico instradare queste coppie differenziali attraverso un connettore per raggiungere un periferico, come una scheda di espansione. Nel processo di instradamento attraverso questi connettori degli slot di espansione, potrebbe rimanere un piccolo stub sulla linea che può limitare la larghezza di banda massima. Questo può essere valutato in simulazione per ottenere risultati molto accurati e per individuare esattamente la larghezza di banda di un canale PCIe.

Gli stub su qualsiasi linea di trasmissione ad alta velocità possono creare perdite o riflessioni poiché possono agire come trasformatori di impedenza ad alta frequenza su una corsia PCIe. Leggi di più sull'analisi degli stub in questo articolo.

Sebbene sia consigliato limitare gli stub su una corsia PCIe, potrebbero essere presenti sul connettore utilizzato per instradare in una scheda di espansione o modulo. Ad esempio, il connettore a bordo utilizzato per una scheda di espansione PCIe montata verticalmente potrebbe essere un componente passante, e quegli stub possono giocare un ruolo nel limitare la larghezza di banda del segnale utilizzabile quando si instrada sullo stesso strato del connettore. Instradare sullo strato opposto può essere preferibile, particolarmente quando si considera il posizionamento del condensatore.

Un Esempio Con Perdite di Stub del Connettore in una Corsia PCIe

A causa degli effetti di interferenza noti per verificarsi quando un segnale attraversa uno stub di via, così come la necessità di condensatori per rimuovere l'offset DC lungo una corsia PCIe, vale la pena studiare in che misura gli stub di via possono influenzare le perdite quando si effettua il routing attraverso un connettore.

La scheda MiniPC in questione utilizza un FPGA Arria 10 con interfaccia PCIe, che è instradata verso un connettore slot, come mostrato di seguito.

Le altre specifiche importanti che dobbiamo conoscere per l'analisi qui sotto sono lo spessore della scheda e la costante dielettrica:

• Spessore della scheda = 2,028 mm
• Dk = 3,6 su tutti gli strati

Sebbene il layout non sia stato creato con un FPGA che ha l'ultima generazione di PCIe, valuteremo le perdite in questi canali confrontandole con i requisiti di larghezza di banda nelle diverse generazioni di PCIe.

Risultati della simulazione iniziale

I risultati della simulazione della perdita di inserimento per le reti Tx sono stati catturati utilizzando Ansys SIwave; questi risultati sono mostrati di seguito. Per inserire la scheda in Ansys SIwave, abbiamo utilizzato l'utilità EDB Exporter all'interno di Altium Designer. Nei risultati qui sotto, vediamo un calo proprio intorno ai 14-15 GHz che raggiunge fino a -25 dB, e poi si recupera a livelli di perdita inferiori a frequenze più alte.

Come facciamo a sapere che questa perdita estrema è dovuta a uno stub? Semplicemente guardando il grafico non si dimostra che il problema sia causato dagli stub, ma ci sono due buoni motivi per concludere che potrebbe trattarsi di uno stub:

1. Se calcoli la prima risonanza della lunghezza d'onda del quarto in questi stub, scoprirai che il primo calo ci si aspetterebbe a circa 13 GHz. Questo è piuttosto vicino alle risonanze di 14-15 GHz viste sopra.
2. Il profilo di perdita intorno a 14-15 GHz ha una larghezza di banda stretta, che è esattamente ciò che ci si aspetterebbe da interferenze distruttive in un risonatore di moderata qualità (Q).
3. Tutte le curve hanno la forma tipica di un grafico di perdita di inserzione che presenta comportamento da stub, e tutte le reti considerate hanno stub nel layout del PCB.

Il calo in questo grafico limita il tasso di trasferimento dati a qualsiasi valore corrispondente a una frequenza di Nyquist di circa 8 GHz (o 16 Gbps per la segnalazione a 2 livelli/NRZ). Questo sarebbe accettabile per PCIe Gen4 ma non per Gen5. Se volessimo eliminare completamente questa perdita o riutilizzare questo design con un'interfaccia Gen5, allora il layout dovrebbe essere modificato.

Ulteriori indagini e modifiche

Alcune opzioni per modificare il layout includono:

1. Collega i pin del connettore ai condensatori sullo strato posteriore attraverso le vie: Sebbene ci siano alcune transizioni extra attraverso le vie, la connessione uscirebbe dallo strato posteriore e attraverso le vie nei condensatori, eliminando efficacemente gli stub senza necessità di foratura posteriore.
2. Sostituisci il connettore con un equivalente SMD: Questo eliminerebbe totalmente gli stub senza richiedere transizioni su due strati attraverso i pin del connettore e le vie. Questa è anche la soluzione più semplice poiché non richiede la sostituzione di componenti, anche se richiede un po' di rerouting.
3. Fora tutti gli stub: Questo richiede alcuni costi aggiuntivi e lascerà una piccola quantità di stub residuo (solitamente circa 10 mil), quindi è meglio usarlo quando gli stub sono molto lunghi.

Se il layout è già completo, le opzioni #1 e #2 sono solitamente le migliori poiché potrebbero richiedere la minima quantità di lavoro di rielaborazione, anche se la #2 dipenderà da ciò che si trova negli strati inferiori. Per l'opzione #1, ecco un esempio di connettore con montaggio SMD. La #3 è appropriata se sei disposto a pagare i costi della foratura a profondità controllata durante la fabbricazione.

Si potrebbe aspettarsi che questo tipo di comportamento, dove si osserva un problema di integrità del segnale come una perdita elevata o una riflessione elevata attorno a specifiche frequenze, possa derivare da stub che risuonano fortemente quando eccitati. Per valutare perché ciò possa accadere in un canale differenziale, è necessario calcolare l'insieme delle risonanze strutturali nella struttura dello stub del via. Una guida che mostra come ciò viene fatto può essere trovata nel video qui sotto.

Quando hai bisogno di valutare il tuo progetto in un flusso di lavoro completo guidato dalla simulazione, usa il set completo di funzionalità di progettazione, layout e simulazione PCB in Altium Designer®. Quando devi esaminare problemi di integrità del segnale ed estrarre parametri S dai tuoi sistemi, puoi usare l'estensione EDB Exporter per importare un progetto nei risolutori di campo di Ansys e eseguire una gamma di simulazioni SI/PI. Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365™ rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti.

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