Come l'effetto della tessitura delle fibre influenza l'integrità del segnale ad alta frequenza

Con molti dispositivi che operano ad alte velocità di trasmissione dati e incorporano funzioni RF, i progetti su alcuni substrati rigidi possono dover accomodare un fenomeno scomodo: l'effetto della trama della fibra. Ci sono in realtà molteplici problemi di integrità del segnale che possono sorgere a causa della trama della fibra nel substrato del PCB.

A velocità di transizione sufficientemente basse (> 1 ns) e larghezze di banda o frequenze del segnale (< 1 GHz), probabilmente non si noterebbero mai gli effetti delle trame delle fibre. L'effetto della trama della fibra diventa evidente quando le frequenze e le larghezze di banda del segnale diventano abbastanza elevate da accomodare applicazioni come interconnessioni a 100G/400G o più veloci, dispositivi a onde millimetriche e SerDes ad altissima velocità. In alcuni sistemi RF dove è necessario il matching di fase (come negli array in fase con un oscillatore di riferimento), l'effetto della trama della fibra è anche molto importante per garantire la temporizzazione del sistema.

Come Pensare all'Effetto della Trama della Fibra

Il riferimento più comune all'effetto della trama in fibra è lo sfasamento creato tra le piste che sono tracciate su un substrato PCB. Questo sfasamento temporale potrebbe sorgere tra i due lati di una coppia differenziale, che potrebbe disallineare i due segnali, o tra molteplici piste single-ended in un bus parallelo (come il DDR). Questo si verifica a causa della struttura alternata vetro-resina dei materiali laminati per PCB; poiché il vetro e la resina hanno valori Dk diversi, i segnali in quelle regioni avranno velocità di propagazione diverse.

Anche i laminati a base di resina più avanzati sono materiali inomogenei e anisotropi, il che significa che le loro proprietà dielettriche variano nello spazio e lungo direzioni diverse. Tutti i materiali laminati per PCB a base di resina/vetro sono prodotti con un telaio, che viene utilizzato per creare una trama in vetro come rinforzo in un substrato PCB. I materiali più recenti, specializzati per progetti ad alta velocità/alta frequenza, come i laminati di recente rilascio da Rogers Corp. e Isola, sono ottimizzati per avere basse perdite e valori desiderabili di CTE, Tg e conducibilità termica. Per i laminati Isola, sono tipicamente disponibili in una gamma di stili di trama in vetro, inclusa la trama in vetro diffuso.

Stili di tessitura delle fibre. Le tessiture larghe (a sinistra) creano maggiori variazioni di skew e impedenza in una scheda rispetto a una tessitura stretta (a destra). Credito immagine: Chen et al. (MDPI).

Come progettista, ci sono alcune opzioni che possono aiutare a ridurre gli effetti della tessitura delle fibre, anche se il problema non può essere completamente eliminato se il routing viene eseguito su uno stile di tessitura aperta in vetro. È certamente possibile specificare un orientamento desiderato per una traccia rispetto all'arrangiamento della tessitura delle fibre, ma le dimensioni delle tracce e i metodi tipici di routing su un substrato PCB rendono difficile prevedere esattamente dove le tue tracce correranno lungo la scheda. Per queste cavità nella scheda, abbiamo due prospettive da esaminare per lo skew creato dalle tessiture delle fibre:

• Nei prodotti fabbricati in massa, dove tessiture più larghe possono essere desiderabili per motivi di costo
• In schede avanzate o schede RF, dove potrebbe comunque essere necessario un materiale più costoso

Come lo Stile di Tessitura delle Fibre Influenza lo Skew

Poiché le cavità nella tessitura delle fibre sono formate da spazi tra i fasci di vetro, le tracce instradate su queste cavità vedranno una costante dielettrica diversa rispetto ai fasci di vetro. La differenza nelle costanti dielettriche può raggiungere un fattore 2, a seconda dei materiali utilizzati nel substrato.

È possibile stimare lo sfasamento che si accumula tra due tracce della stessa lunghezza se sono noti i costanti dielettrici dei componenti in vetro e resina. Questi dati non sono sempre forniti nei datasheet, ma potrebbero essere utilizzati per determinare un valore di sfasamento peggiore tra due tracce. Utilizzando la differenza nei ritardi di propagazione attraverso ciascun materiale, troveremmo che lo sfasamento peggiore è:

Approssimazione dello sfasamento peggiore

Inoltre dai un'occhiata a questa recente pubblicazione per alcuni dati sperimentali raccolti con diversi stili di tessitura delle fibre. Un tipico valore di sfasamento per una tessitura aperta potrebbe essere grande quanto 4 ps/pollice o superiore su tessiture di vetro convenzionali (vedi sopra la citazione per alcuni dati). Su schede di grandi dimensioni, questo contributo al jitter totale potrebbe essere sufficiente a desincronizzare due segnali veloci.

Nella realtà, lo sfasamento dovuto alla tessitura delle fibre è imprevedibile, semplicemente perché non si sa dove finirà la propria traccia una volta che la scheda è prodotta. Ci sono alcune opzioni semplici per aiutare a ridurlo (vedi sotto), ma il primo passo è determinare se lo sfasamento è davvero importante nel proprio particolare design. Poiché lo sfasamento è un problema di disallineamento temporale

Lo Sfasamento Sarà Importante Nel Tuo Sistema?

La prima cosa che dovresti fare è determinare se lo skew causato dalla trama della fibra crea o meno problemi evidenti nel tuo sistema specifico. Prendi come esempio due tracce in una coppia differenziale. I segnali su ciascuna traccia devono arrivare a un ricevitore entro una certa finestra temporale. Se la discrepanza consentita tra i segnali (la finestra temporale) è molto maggiore dello skew previsto su un dato percorso, allora lo skew potrebbe effettivamente essere ignorato.

Lo stesso tipo di analisi può essere applicato ai bus paralleli con lunghezze abbinate. Questo è uno dei motivi per cui potresti voler abbinare molto attentamente il ritardo delle tue coppie differenziali. Questo lascia ampio margine per lo skew creato dalla trama della fibra, jitter casuale o qualsiasi altra fonte di jitter che potrebbe creare skew. Nel caso in cui lo skew della trama della fibra sarà comparabile alla discrepanza di tempistica consentita, allora una trama aperta non dovrebbe essere utilizzata.

Man mano che i flussi di dati diventano più veloci e i tempi di salita si riducono, la suddetta finestra temporale si chiuderà, e ciò pone maggiore enfasi sulla riduzione del jitter totale che potrebbe esistere all'interno della finestra temporale. Questo è uno dei motivi per cui ci concentriamo sul jitter creato dal rumore dell'alimentazione, rimbalzo di terra e diafonia nelle interfacce veloci poiché contribuiscono anche al jitter totale.

Routing Angolato o Rotazione del Pannello

Come è stato mostrato in una recente pubblicazione su Signal Integrity Journal, instradare ad un leggero angolo rispetto al modello di tessitura può ridurre lo skew temporale (deviazione standard) da ~7 ps/in a meno di 1 ps/in. Si noti che ciò riguarda esclusivamente lo skew dovuto all'effetto della tessitura delle fibre; altre fonti di skew come jitter casuale e disallineamento dei ritardi in bus paralleli o coppie differenziali devono ancora essere considerate. Tuttavia, gli angoli coinvolti erano solo di ~0.04 rad, equivalenti a ~2.3 gradi. In altre parole, la deviazione standard dello skew può essere ridotta di circa 3 ps/grado, fino a una riduzione massima di ~7 ps.

Immagine della riduzione dello skew crediti: Bogatin et al. (Signal Integrity Journal).

Ciò che dimostra non è che lo skew viene eliminato instradando ad un angolo, ma solo che la deviazione standard nei tempi diventa minore. Questo è uno dei motivi per cui una fabbrica di schede può ruotare l'artwork su un pannello (magari di 10 gradi) per combattere lo skew del tempo indotto dalla trama della fibra. Invece di instradare manualmente o fare zig-zag con le tracce nel PCB, ruotare l'artwork sul pannello permette al progettista di lavorare come al solito nel loro software di progettazione PCB. Lo svantaggio è che l'artwork su un pannello occuperà spazio extra, quindi aumenta i costi di fabbricazione per scheda.

Vetro Diffuso

Il vetro diffuso si appiattirà quando inserito nello stackup del PCB, il che garantirà che i fasci di fibre riempiano lo spazio nel laminato del PCB occupato dalla resina. Riempendo la regione della resina con vetro, il materiale appare più omogeneo alle frequenze pratiche utilizzate nell'elettronica di oggi. Questo minimizza lo skew tra ogni traccia in una coppia differenziale o tra tracce a terminazione singola in bus paralleli.

Imposta la Distanza della Coppia Differenziale = Passo del Vetro

Se il passo della tessitura del vetro è noto, allora questo può essere utilizzato come spaziatura tra coppie differenziali. Questo garantirà che le tracce in una coppia occupino sempre regioni di tessitura quasi identiche lungo un percorso rettilineo, quindi ciò ridurrà lo sfasamento intra-coppia. Una regola di progettazione simile potrebbe essere utilizzata in bus monodirezionali paralleli e bus differenziali paralleli.

Laminati non rinforzati per schede RF

Un'altra opzione per schede RF avanzate è l'uso di un laminato a base di PTFE non rinforzato, che non avrà una tessitura in vetro. Lo svantaggio di questi laminati, a parte il costo, è il fatto che possono essere difficili da lavorare in fase di fabbricazione. Poiché non hanno rinforzi strutturali, a volte vengono chiamati "noodles bagnati" poiché si piegheranno facilmente. Di conseguenza, potrebbero avere un maggiore potenziale per disallineamenti strato-strato. Per le schede RF utilizzate con array in fase, l'eliminazione dello sfasamento su interconnessioni lunghe è molto utile, specialmente se il controller host del sistema non ha meccanismi per la compensazione dello sfasamento tramite una procedura di calibrazione all'accensione.

Carico periodico a frequenze GHz

Le cavità nelle trame di fibre libere sono essenzialmente risuonatori parzialmente aperti, e le risonanze eccitate nella struttura di trama di fibre in un materiale PCB non sono definite o osservate in simulazione o analisi. Ricorda che il campo elettromagnetico non è confinato all'interno di una traccia, esiste attorno alla traccia ed è confinato nel mezzo circostante. Questo significa che un segnale ad alta frequenza in movimento, o un segnale digitale con ampia banda, può eccitare una o più risonanze in queste cavità. Queste risonanze possono essere approssimate come risonanze in una scatola rettangolare e ci aspetteremmo il seguente insieme di frequenze:

La frequenza di risonanza della trama di fibre di ordine più basso è tipicamente ~50 GHz per le trame libere. Queste risonanze possono poi eccitare risonanze di cavità sub-armoniche attraverso accoppiamento risonante. In altre parole, le tasche della trama di fibre, le strutture conduttive vicine e i parassiti creati da ciascuno agiscono come una fonte di EMI irradiata. Questo particolare problema è stato recentemente discusso in Signal Integrity Journal.

Una forte risonanza in queste cavità può anche accoppiarsi induttivamente o capacitivamente ai circuiti vicini. Questo accoppiamento rappresenta un problema maggiore nei catene di segnale RF che coinvolgono amplificatori di potenza, driver FET ad alta potenza e circuiti simili che producono forti campi RF. Questo effetto si manifesta come una caduta nel profilo di perdita di inserzione alle successive risonanze della trama della fibra. È possibile misurare questo effetto estraendo gli S-parametri da un coupon di prova con un analizzatore di rete vettoriale.

Analizzatore di spettro

In sintesi, se si desidera prevenire problemi con risonanze e cali di perdita di inserzione, è consigliabile optare per lo stile di tessitura del vetro più stretto che soddisfi i requisiti di perdita, CTE, Tg e conducibilità termica. Uno stile di tessitura più stretto avrà generalmente risonanze a frequenza più alta, sebbene ci saranno dei compromessi definiti che dovranno essere bilanciati. Tenere conto accuratamente dello skew e garantire un'impedenza controllata richiede di determinare la giusta costante dielettrica media da utilizzare nei calcoli di impedenza. Nel caso in cui le emissioni delle cavità diventino problematiche, si potrebbe considerare l'uso di un rivestimento conforme come materiale schermante.

Il gestore dello stack di strati in Altium Designer^® ti permette di definire la costante dielettrica media che i tuoi segnali incontreranno mentre viaggiano lungo una traccia di segnale. Questo lo rende uno strumento ideale per compensare lo skew dovuto all'effetto della tessitura delle fibre nella tua scheda. Gli strumenti di simulazione post-layout sono utili anche per esaminare il diafonia tra tracce che trasportano segnali ad alta frequenza e per il routing a impedenza controllata. Avrai accesso a un'ampia libreria di materiali standardizzati e stili di tessitura che puoi utilizzare nel tuo stackup.

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