Suggerimenti e linee guida per la progettazione di PCB ad alta velocità

In questo articolo, esamineremo alcuni consigli e linee guida per i progetti di circuiti stampati ad alta velocità.

Quando si tratta di progetti ad alta velocità, ci preoccupiamo tipicamente di due aree. La prima è l'integrità del segnale (SI), e problemi relativi al diafonia a causa della distanza tra le tracce, riflessioni dovute a disadattamenti di impedenza, attenuazione del segnale e problemi come il ringing. Naturalmente, vorremmo minimizzare questi problemi il più possibile. In secondo luogo, ci preoccupiamo dell'interferenza elettromagnetica (EMI).

Prima di iniziare, devo raccomandare un fantastico video sul canale YouTube di Altium di Rick Hartley su come realizzare un progetto PCB corretto e come ottenere una messa a terra adeguata. Gli argomenti trattati in dettaglio in quel video sono particolarmente importanti per i progetti digitali ad alta velocità e analogici ad alta velocità. Assicurati di guardare il video qui.

Cosa si intende per progetto PCB "ad alta velocità"?

Prima di addentrarci in questi consigli per il progetto e il layout di PCB ad alta velocità, diamo un'occhiata a quando dobbiamo effettivamente preoccuparci di tutto ciò!

Diciamo, per esempio, che abbiamo un segnale di clock a 100 MHz nel nostro progetto e assumiamo ingenuamente che questo sia la frequenza più alta evidente nel nostro sistema. Si scopre che il problema non è in realtà che il segnale di clock ha una frequenza fondamentale di 100 MHz, ma piuttosto che i problemi del nostro progetto derivano dai tempi di salita e discesa di questo segnale di clock quasi quadro.

Queste transizioni nette che passano da basso digitale ad alto digitale (o viceversa) contengono contenuti di frequenza molto più alti rispetto alla fondamentale. Dati i tempi di salita e discesa di un segnale (a seconda di quale di essi sia più veloce), possiamo calcolare la frequenza massima all'interno del segnale (o meglio la larghezza di banda) approssimativamente usando la formula seguente:

Ad esempio, per un segnale di clock a 100 MHz con un tempo di salita di 1 ns, la larghezza di banda di quel segnale è di 500 MHz—una differenza significativa!

Quando la lunghezza di una traccia PCB supera 1/12 della lunghezza d'onda nel dielettrico, dobbiamo iniziare a considerare il nostro progetto PCB con molto più dettaglio. Questo è il punto in cui le nostre tracce iniziano a sembrare linee di trasmissione di lunghezza distribuita, e non più come elementi concentrati. Chiamiamo questa lunghezza la “lunghezza critica”.

Suggerimento #1: Piani di Riferimento

Vogliamo sempre avere un piano di massa o un piano di alimentazione pertinente adiacente a un piano di segnale, direttamente sullo strato sottostante (o superiore) a uno strato che trasporta una traccia. In certi casi, è possibile utilizzare un piano di alimentazione pertinente al posto di un piano di massa come riferimento. Pertinente in questo contesto significa che la tensione del piano di riferimento è la stessa tensione da cui è derivato il segnale. I piani di riferimento sono importanti non solo per mantenere corretti percorsi di ritorno e per minimizzare la diffusione del campo elettromagnetico, ma anche quando si richiedono tracce a impedenza controllata. 

Per i segnali AC, qualcosa sopra i pochi kHz, e il percorso di ritorno è effettivamente direttamente sotto la traccia del segnale nel piano di riferimento sottostante. Una regola molto importante è che non dovrebbero esserci divisioni nel piano di riferimento sotto le tracce.

Suggerimento #2: Configurazione del PCB

Vogliamo avere un piano di massa non solo adiacente a un piano di segnale ma anche adiacente a un piano di alimentazione. È anche una buona idea avere un dielettrico sottile tra i piani, che a sua volta ci dà un accoppiamento stretto e ci permette anche di usare tracce più sottili per progetti più densi.

Le tracce più sottili ci danno inoltre più spazio con cui lavorare, e più spazio tra le tracce. Tuttavia, tenete presente che la fabbricazione di tracce sottili può essere più difficile.

Suggerimento #3: Tracce a Impedenza Controllata

Non appena la lunghezza della nostra traccia supera la lunghezza critica discussa nell'introduzione di questo articolo, dobbiamo controllare l'impedenza delle nostre tracce. Ovvero, dobbiamo regolare la larghezza della nostra traccia—in base al nostro stackup e alla costruzione scelti—per ottenere una certa impedenza della linea di trasmissione. Tipicamente, questa sarà di 50 Ohm per i segnali single-ended. Altium Designer dispone di un potente risolutore di campo 2D che può calcolare le larghezze delle tracce richieste in base al tuo stackup e alla costruzione in pochi secondi!

Suggerimento #4: Lunghezza delle Tracce, Spaziatura e la Regola del 3h

Dobbiamo mantenere le tracce ad alta velocità il più corte possibile—ciò aiuta con EMI e SI. Inoltre, vogliamo tenere le diverse tracce ad alta velocità il più lontano possibile l'una dall'altra per minimizzare il diafonia.

Inoltre, mira a mantenere le tracce ad alta velocità lontane da componenti come induttori o sezioni di alimentazione di un circuito. Una regola generale tipica è la regola delle 3h, che significa che le tracce dovrebbero essere separate da almeno tre volte l'altezza del dielettrico tra lo strato del segnale e il prossimo strato di terra o di riferimento.

Per design ad alte prestazioni, ad alta velocità, spesso richiediamo strumenti di simulazione per verificare che stiamo rispettando l'integrità del segnale richiesta e le prestazioni EMI.

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