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    Linee guida del routing ad alta velocità per PCB avanzati

    Zachariah Peterson
    |  September 13, 2020
    Linee guida avanzate per il routing PCB ad alta velocità

    I progetti più recenti continuano ad aumentare in velocità, con le specifiche PCIe 5.0 che raggiungono i 32 Gb/s e la memoria PAM4 che spinge l'integrità di segnale e la velocità al limite La corretta progettazione d'interconnessione deve tener conto dei margini inferiori di rumore dei dispositivi avanzati, dei requisiti impeccabili di stabilità dell'alimentazione e molto altro ancora, così da garantire che i segnali possano essere ricevuti correttamente.

    Con dispositivi avanzati che funzionano con livelli di segnale bassi, le linee guida di routing ad alta velocità sono focalizzate sulla prevenzione della perdita di segnale, sulla distorsione e sui riflessi, dalle discontinuità d'impedenza fino alle interconnessioni. Con la segnalazione ultraveloce, in particolare con l'uso di segnalazioni multilivello, devi seriamente considerare tutte le linee guida di progettazione ad alta velocità presentate in questo articolo e iniziare a metterle in pratica.

    Importanti linee guida per il routing ad alta velocità

    Con le alte velocità che raggiungono regimi ben al di sotto dei nanosecondi, in particolare nelle moderne generazioni PCIe, per supportare apparecchiature di rete ad alta velocità ogni progettista dovrebbe tenere a mente alcune linee guida essenziali per il routing PCB ad alta velocità. Con i più recenti dispositivi che continuano a superare i limiti di velocità, molto probabilmente dovrai tenere a mente tutte queste linee guida, piuttosto che sceglierne alcune che soddisfino la tua applicazione.

    Stackup per il routing ad impedenza controllata ed integrità di alimentazione

    Il tuo stackup è tanto importante per l'integrità di segnale quanto per l'integrità dell'alimentazione. Allo stesso modo, poiché le larghezze di banda del segnale si estendono ulteriormente fino a decine di GHz, in particolare con schemi di segnalazione multilivello (per esempio PAM4 per reti 400G), dovrai controllare l'impedenza delle tue interconnessioni per garantire la corretta terminazione e corrispondenza. Dovrai anche dimensionare correttamente la tua traccia per cercare di ridurre al minimo l'oscillazione (per esempio smorzando significativamente la risposta del transitorio) mantenendo costante l'impedenza. Ciò richiede una meticolosa progettazione ingegneristica d'interconnessione e dello stackup.

    Routing delle coppie differenziali e corrispondenza della lunghezza

    Dato che il rumore di modo comune è il principale problema dell'integrità di segnale, devi garantire un accoppiamento sufficiente per tutta la lunghezza delle coppie differenziali, come parte del routing ad impedenza controllata. Ciò richiede inoltre la corrispondenza di fase lungo la lunghezza di una coppia differenziale. L'area accoppiata dovrebbe estendersi direttamente al ricevitore, ove possibile, mentre qualsiasi area disaccoppiata dovrebbe essere abbinata alla lunghezza e circoscritta al driver nella tua interconnessione. Questo assicura che qualsiasi disturbo di modo comune sarà visibile come se fosse perfettamente allineato e quindi eliminato completamente al ricevitore.

    Scegliere il corretto materiale del substrato

    Con tempi di risalita più rapidi nasce la necessità di recuperare materiali di substrato con minore tangente di perdita e dispersione piatta. La dispersione è molto importante in questo caso, in quanto crea un cambiamento continuo nella costante d'impedenza e di propagazione lungo la lunghezza di un'interconnessione. In primo luogo, la dispersione provoca la diffusione degli impulsi elettromagnetici (cioè segnali digitali) man mano che si propagano. In secondo luogo, l'impedenza osservata sul fronte di risalita del segnale non corrisponderà a quella visualizzata sul fronte di discesa del segnale in presenza di una forte dispersione, causando così una forte distorsione. Dovresti assicurarti che la costante dielettrica sia piatta con la larghezza di banda rilevante, che si estende facilmente a 30 GHz nei dispositivi PAM4 a 12 Gbps.

    Tracce corte e Backdrilling

    Le tracce devono essere tracciate in modo che siano più corte possibili, in modo da ridurre al minimo le perdite di alimentazione. Nel caso in cui la dispersione sia un problema, questo aiuta a ridurre al minimo la distorsione dell'impulso, poiché gli impulsi stessi si estenderanno a causa della dispersione. Le vias dovrebbero inoltre essere ridotte al minimo sulle tracce, in quanto possono creare una discontinuità d'impedenza se non sono progettate per richiedere l'impedenza. Ogni vias presente su un'interconnessione dovrebbe essere retro forata, in quanto qualsiasi rimanente via stub rappresenta un'altra discontinuità d'impedenza, perciò rappresentano un'altra opportunità di riflesso del segnale. Questi stub possono inoltre vibrare ad alte velocità/frequenze, nel senso che fungeranno da antenne che accoppiano il disturbo nelle vicine interconnessioni.

    Comparazione fra impedenza microstrip PCB e Frequenza
    Variazione dell'impedenza caratteristica di microstrip con la frequenza. Un ringraziamento va a Yuriy Shlepnev, di Simberian, per aver realizzato questo grafico.

    Comparazione fra alta velocità e alta velocità di trasmissione dati: Segnalazione multilivello e fibra

    Con semplici segnali modulati OOK o NRZ, avrai effettivamente due livelli di segnale che definiscono i tuoi stati binari ON/OFF. In effetti, la tua velocità di trasmissione dati è limitata dal tempo di risalita/discesa dei segnali, così come fornito dal driver su un'interconnessione differenziale. Il passaggio a velocità di trasmissione dati più elevate ha spinto i tempi di risalita e di discesa verso il limite, raggiungendo recentemente livelli di picosecondi a 32, 56 e 112 Gbps.

    Questo spinge inoltre le tolleranze di jitter a livelli estremamente bassi, il che richiede una stabilità di alimentazione, per garantire che l'ondulazione del bus di alimentazione non si propaghi in uscita da un circuito integrato con elevato assorbimento di potenza. È comune osservare un jitter di ~100 ps/mV, indotto in circuiti integrati guidati, a causa dell'ondulazione su una Rete di Distribuzione dell'Alimentazione (PDN). Qui è dove la tua impedenza della Rete di Distribuzione dell'Alimentazione (PDN) deve raggiungere livelli inferiori ai mΩ, per ridurre l'ondulazione su una PDN fino a ~2% per dispositivi da 1,2 V, pari a una fluttuazione di tensione picco-picco di ~30 mV. Dovrai portare il jitter ad un livello di ~1 ps o inferiore, che si adatta a circuiti stampati che utilizzano la segnalazione multilivello.

    A livelli di segnale così bassi l'aumento della velocità di trasmissione dati richiede una maggiore densità di larghezza di banda, tracciando più canali in parallelo. Nelle apparecchiature di rete, continuerà a utilizzare la segnalazione differenziale per interfacciarsi con più canali paralleli multiplex Tx e Rx, nelle apparecchiature di rete in fibra ottica ultraveloce. Le ottiche vengono montate direttamente sul PCB e si interfacciano con i chip di sistema, utilizzando fotodiodi rapidi e VCSEL con larghezza di banda superiore.

    Linee guida per il routing BOA e per circuiti stampati ad alta velocità
    Assemblaggio ottico con montaggio su scheda per l'interfacciamento con un controller di sistema su un backplane.

    In che modo i progettisti possono continuare ad aumentare la velocità di trasmissione dati per soddisfare le esigenze delle moderne apparecchiature di rete e delle altre applicazioni avanzate? Nel caso tu non percepisca il senso dell'argomento, inizieremo con l'osservare una convergenza tra ottica ed elettronica a livello di PCB, che raggiungerà infine il livello di circuito integrato. I principali produttori si sono già riuniti per sviluppare una catena di produzione e distribuzione per circuiti integrati fotonici al silicio e per sviluppare un certo livello di standardizzazione riferito a questi nuovi prodotti. Ciò contribuirà ad alleviare molte delle sfide riguardo l'integrità di segnale e ad attenuare alcuni vincoli di progettazione per la comunità PCB, ma costringerà inoltre i progettisti a rivedere il loro metodo di creazione dei prodotti avanzati.

    Il set completo degli strumenti di routing presenti in Altium Designer® è ideale per definire e implementare le linee guida presentate in questo articolo per il routing PCB ad alta velocità e molto altro ancora. Puoi definire le tue importanti linee guida di routing ad alta velocità come regole di progettazione ed esaminare l'integrità di segnale con potenti strumenti di simulazione. Questi strumenti sono integrati in un'unica piattaforma, permettendo così di essere aggiunti rapidamente nel flusso di lavoro.

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    Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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