Linee guida per il routing ad alta velocità per PCB avanzati

Puoi creare questa scheda avanzata con queste linee guida di routing ad alta velocità per PCB avanzati

I nuovi progetti continuano a diventare più veloci, con PCIe 5.0 che raggiunge i 32 Gb/s, e PAM4 che spinge l'integrità del segnale e le velocità al limite. Un corretto design degli interconnettori deve tenere conto dei margini di rumore più bassi dei dispositivi avanzati, dei requisiti impeccabili di stabilità dell'alimentazione e molto altro per garantire che i segnali possano essere ricevuti correttamente.

Con dispositivi avanzati che funzionano a livelli di segnale più bassi, le linee guida per il routing ad alta velocità si concentrano sulla prevenzione della perdita di segnale, della distorsione e delle riflessioni dovute a discontinuità di impedenza in tutto l'interconnessione. Con la segnalazione ultra veloce, in particolare con l'uso della segnalazione multilivello, dovrai considerare seriamente tutte le linee guida per il design ad alta velocità presentate qui e iniziare a metterle in pratica.

Linee Guida Importanti per il Routing ad Alta Velocità

Con velocità che raggiungono ben il regime sub-nanosecondo, in particolare nelle nuove generazioni di PCIe, e per supportare l'attrezzatura di rete ad alta velocità, qualsiasi progettista dovrebbe tenere a mente alcune linee guida di base per il routing PCB ad alta velocità. Con dispositivi più recenti che continuano a superare il limite di velocità, molto probabilmente dovrai tenere a mente tutte queste linee guida, piuttosto che sceglierne alcune per soddisfare la tua applicazione.

Stackup per il Routing a Impedenza Controllata e l'Integrità dell'Alimentazione

Il tuo stackup è tanto importante per l'integrità del segnale quanto lo è per l'integrità della potenza. Allo stesso modo, man mano che le larghezze di banda dei segnali si estendono ulteriormente nell'ordine delle decine di GHz, in particolare con schemi di segnalazione multilivello (prendi ad esempio PAM4 per il networking a 400G), dovrai controllare l'impedenza dei tuoi interconnettori per garantire una corretta terminazione e adattamento. Dovrai anche dimensionare correttamente la tua traccia per cercare di minimizzare il ringing (cioè, smorzare criticamente la risposta transitoria) mantenendo al contempo l'impedenza costante. Questo richiede un'ingegnerizzazione dello stackup e una progettazione degli interconnettori meticolosi.

Routing e Abbinamento delle Lunghezze per Coppie Differenziali

Con il rumore in modo comune che rappresenta un grosso problema per l'integrità del segnale, dovrai garantire un accoppiamento sufficiente lungo tutta la lunghezza delle coppie differenziali come parte del routing a impedenza controllata. Ciò richiede anche un abbinamento di fase lungo la lunghezza di una coppia differenziale. La regione accoppiata dovrebbe estendersi direttamente al ricevitore, dove possibile, mentre qualsiasi regione non accoppiata dovrebbe essere abbinata in lunghezza e confinata al driver nel tuo interconnettore. Questo garantisce che qualsiasi rumore in modo comune sarà percepito come perfettamente in fase e quindi completamente soppresso al ricevitore.

Scegli il Materiale del Substrato Giusto

Con tempi di salita più rapidi, nasce la necessità di trovare materiali di substrato con tangente di perdita inferiore e dispersione piatta. La dispersione è molto importante in questo contesto poiché crea un cambiamento continuo nell'impedenza e nella costante di propagazione lungo la lunghezza di un interconnettore. Primo, la dispersione causa la diffusione degli impulsi elettromagnetici (ovvero, segnali digitali) man mano che si propagano. Secondo, l'impedenza vista al bordo di salita del segnale non corrisponderà a quella vista al bordo di discesa del segnale in presenza di forte dispersione, portando a una forte distorsione. Dovresti assicurarti che la costante dielettrica sia piatta con la larghezza di banda rilevante, che copre facilmente 30 GHz in PAM4 a 12 Gbps.

Tracce Corte e Backdrilling

Le tracce dovrebbero essere progettate il più corte possibile in modo che le perdite di potenza siano ridotte al minimo. Nel caso in cui la dispersione sia un problema, ciò aiuta a minimizzare la distorsione degli impulsi, poiché gli impulsi si allungheranno a causa della dispersione. Anche le vie dovrebbero essere ridotte al minimo sulle tracce poiché possono creare una discontinuità di impedenza se non progettate con un'impedenza esatta. Qualsiasi via presente su un interconnettore dovrebbe essere backdrilled, poiché qualsiasi residuo di via rappresenta un'altra discontinuità di impedenza, quindi presentano un'altra opportunità per la riflessione del segnale. Questi stub possono anche risuonare ad alte velocità/frequenze, il che significa che agiranno come antenne che accoppiano rumore negli interconnettori vicini.

Variazione dell'impedenza caratteristica del microstrip con la frequenza. Un ringraziamento va a Yuriy Shlepnev di Simberian per aver prodotto questa figura.

Alta Velocità vs. Alto Tasso di Dati: Segnalazione Multilivello e Fibra

Con segnali semplici modulati OOK o NRZ, si hanno effettivamente due livelli di segnale che definiscono i tuoi stati binari ON/OFF. Di fatto, il tuo tasso di dati è limitato dal tempo di salita/discesa dei segnali forniti dal driver su un interconnettore differenziale. Il passaggio a tassi di dati più elevati ha spinto i tempi di salita e discesa al limite, raggiungendo infine livelli di picosecondi a 32, 56 e 112 Gbps.

Ciò spinge anche le tolleranze del jitter a livelli estremamente bassi, il che richiede una sufficiente stabilità dell'alimentazione per garantire che il ripple del bus di alimentazione non si propaghi all'uscita da un IC con un elevato consumo di potenza. È comune osservare un jitter di ~1 ps/mV indotto negli IC guidati a causa del ripple su un PDN. Qui è dove l'impedenza del tuo PDN deve raggiungere livelli di milliOhm o inferiori al fine di diminuire il ripple su un PDN fino a circa il 2% per dispositivi da 1,2 V, equivalente a una fluttuazione di tensione picco-picco di ~30 mV. Dovrai ridurre il jitter al livello di ~1 ps o meno, il che diventa appropriato per PCB che utilizzano segnalazione multilivello.

A tali bassi livelli di segnale, aumentare il tasso di trasmissione dati richiede di lavorare con una densità di banda più alta instradando più canali in parallelo. Nell'attrezzatura di rete, ciò continuerà utilizzando la segnalazione differenziale per interfacciarsi con più canali Tx e Rx multiplexati in parallelo in attrezzature di rete in fibra ottica ultra veloce. Le ottiche vengono montate direttamente sul PCB e si interfacciano con i chip di sistema utilizzando fotodiodi veloci e VCSEL a banda larga più elevata.

Assemblaggio ottico montato su scheda per l'interfacciamento con un controller di sistema su un backplane.

Come possono i progettisti continuare a spingere i tassi di trasmissione dati sempre più in alto per soddisfare le richieste di nuove apparecchiature di rete e altre applicazioni avanzate? Nel caso in cui non vediate dove stiamo andando, inizieremo a vedere una convergenza tra ottica ed elettronica a livello di PCB che alla fine raggiungerà il livello IC. I principali produttori di IC si stanno già unendo per sviluppare una catena di fornitura per IC fotonici in silicio e per sviluppare un certo livello di standardizzazione per questi nuovi prodotti. Questo aiuterà ad alleviare molte delle sfide relative all'integrità del segnale e a rilassare alcuni vincoli di progettazione per la comunità dei PCB, ma costringerà anche i progettisti a ripensare il modo in cui creano prodotti avanzati.

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