Routing controllato dell'impedenza per schede realizzate in Altium Designer

Le esigenze di calcolo e le applicazioni richiedono che i dati vengano elaborati a velocità sempre maggiori. Man mano che le bande di comunicazione iniziano a riempirsi e nuovi componenti entrano sul mercato, i PCB dovranno operare a tassi di dati e frequenze più elevati. Applicazioni di rete e di data center come Ethernet a 100G e superiori, così come protocolli wireless avanzati come il 5G e il 6G, continueranno a operare ben dentro il regime delle onde millimetriche e oltre.

Questi fatti significano che problemi di integrità del segnale come il diafonia, l'EMI, il ringing e il controllo dell'impedenza stanno diventando sempre più critici nei design avanzati dei PCB. Gli strumenti di analisi devono essere in grado di identificare e fornire una certa comprensione su come compensare i problemi di integrità del segnale nei PCB durante la fase di progettazione. Nessuno vuole ricevere la propria scheda finita da un produttore, solo per testarla e scoprire che i tassi di errore sui bit sono altissimi. Qui è dove gli strumenti di simulazione diventano fondamentali, permettendoti di trovare le fonti dei problemi di integrità del segnale prima che il tuo prodotto arrivi sul mercato.

L'ambiente di progettazione in Altium Designer^® ora include un avanzato risolutore di campo 3D che si integra con il tuo Layer Stack Manager per un controllo dell'impedenza accurato, estrazione parassitica e calcoli di ritardo di propagazione. Se non sei familiare con l'uso delle formule di impedenza nei metodi di ottimizzazione avanzata, puoi determinare la geometria della traccia di cui hai bisogno per il controllo dell'impedenza con questo strumento di progettazione integrato. Ecco come funziona nel flusso di lavoro di progettazione guidato dalle regole di Altium Designer e come sfruttare al meglio l'utilità del risolutore di campo 3D integrato.

Calcoli dell'Impedenza: Formule vs. Risolutori di Campo

In progetti avanzati con segnali a banda larga, come canali ad alta velocità di trasmissione dati su laminati a bassa perdita, la dispersione nel dielettrico è una fonte di difficoltà nei progetti PCB ad alta velocità. Le formule di impedenza per geometrie standard possono fornire un ottimo punto di partenza per determinare la larghezza della traccia di cui hai bisogno per routing controllato dall'impedenza. Le equazioni più accurate sono derivate con mappatura conforme e richiedono una tecnica numerica per estrarre la larghezza della traccia per una data impedenza.

Il problema nell'utilizzare queste equazioni è che rendono difficile determinare la larghezza della traccia migliore da utilizzare per il routing dei segnali a banda larga. Puoi includere la dispersione in un'equazione di impedenza, ma la larghezza della traccia che estrai sarà quindi una funzione della frequenza, il che costituisce un problema di ottimizzazione complesso per determinare la traccia migliore per minimizzare le deviazioni dall'impedenza target. Per questo motivo, la maggior parte degli strumenti di progettazione PCB ti costringe a scegliere una frequenza rappresentativa per calcolare la larghezza della traccia (solitamente la frequenza di Nyquist). Questi altri strumenti di progettazione e calcolatrici online potrebbero non includere il tangente di perdita, le perdite per effetto pelle e la capacità di carico quando calcolano l'impedenza.

Aggiungi a ciò altri problemi che si verificano quando si progettano linee di trasmissione per segnali ad alta velocità, come la rugosità del rame. Un metodo migliore per determinare la larghezza della traccia perfetta che corrisponde a un'impedenza target è utilizzare un risolutore di campo integrato che include dispersione a banda larga, rugosità del rame e perdite per effetto pelle. Il tuo router interattivo posizionerà quindi tracce con la larghezza appropriata in modo tale che le tue tracce avranno il valore di impedenza definito di cui hai bisogno.

Configurazione dei Calcoli di Impedenza

Il routing controllato dell'impedenza in Altium Designer utilizza un risolutore di campo integrato di Simberian. Questo processo inizia dopo aver completato gli schemi ma prima di disporre il layout del tuo circuito stampato. Vorrai configurare questa funzione quando progetti il tuo stackup del PCB. Dopo aver creato un file PcbDoc vuoto, puoi andare nel menu "Design" e cliccare su "Layer Stack Manager". Dopo aver finito di creare il tuo stackup, puoi iniziare a eseguire calcoli dell'impedenza per differenti coppie di strati. Per ottenere il valore di impedenza di cui hai bisogno per diverse coppie di strati, dovrai cliccare sulla scheda Impedenza nella parte inferiore della finestra Layer Stack Manager.

Creazione di Profili di Impedenza

Da qui, puoi creare profili di impedenza monoterminale e differenziale per diverse coppie di strati nel tuo stackup. Un profilo di impedenza ti permette di impostare un'impedenza specificata, e lo strumento restituirà la larghezza della traccia che imposta l'impedenza al valore desiderato. Per i segnali differenziali, puoi creare un profilo differenziale e specificare la distanza tra le coppie differenziali, e il profiler di impedenza restituirà la larghezza della traccia di cui hai bisogno. Puoi anche regolare la distanza al valore che desideri, e il profiler di impedenza regolerà la larghezza della traccia in risposta.

Utilizzando lo strumento profiler di impedenza per un PCB a 10 strati in Altium Designer.

Impedenza Combinata Singola e Differenziale

Con gli standard di segnalazione differenziale ad alta velocità, spesso è necessario impostare l'impedenza differenziale su un valore specifico, impostando contemporaneamente l'impedenza singola di ogni traccia nel paio sul proprio valore (Ethernet è un esempio). Per fare ciò, puoi creare due profili di impedenza per i segnali rilevanti; un profilo singolo e un altro differenziale. Questo procede attraverso il seguente processo:

1. Crea un profilo di impedenza singola per determinare la larghezza richiesta per il controllo dell'impedenza nelle reti singole.
2. Crea un profilo di impedenza differenziale e imposta i valori di impedenza e tolleranza desiderati.
3. Copia la larghezza determinata dal profilo singolo nel profilo differenziale sullo stesso strato.
4. Regola manualmente la spaziatura fino a quando l'impedenza differenziale raggiunge il valore desiderato.

L'immagine qui sotto mostra questo tipo di controllo dell'impedenza, dove l'impedenza differenziale e l'impedenza singola per il profilo differenziale sono abbinate rispettivamente a 85 Ohm e 50 Ohm.

Definizione di profili di routing controllati per impedenza singola e differenziale in Altium Designer.

Ora che i profili di impedenza rilevanti sono stati definiti, è il momento di abilitarli come regole di progettazione per il routing a impedenza controllata.

Utilizzo delle Regole di Progettazione per il Controllo dell'Impedenza

Nodi a terminazione singola

Le regole di progettazione che definirai in seguito specificano la larghezza necessaria per mantenere l'impedenza richiesta. Per iniziare a configurare le tue regole di progettazione, apri il "PCB Rules and Constraints Editor". Clicca sul menu "Design" e poi sull'opzione "Regole". Se guardi l'elenco sul lato sinistro dell'editor, vedrai una voce per "Routing". Clicca su Routing -> Opzione Larghezza. Nell'immagine qui sotto, il profilo di impedenza a terminazione singola è abilitato (il profilo denominato S50), che costringerà il router a posizionare le tracce con la larghezza definita nel tuo profilo di impedenza.

Configurazione del routing controllato da impedenza in Altium Designer.

Ci sono due punti importanti in questa finestra di dialogo. Primo, puoi scegliere di applicare il controllo dell'impedenza alle tracce in specifici strati di segnale o con specifici nodi di segnale. Qui, questo è stato applicato a "NetR_BIAS_1", che è un nodo a terminazione singola (selezionato vicino alla parte superiore della finestra di dialogo). Secondo, potresti anche applicare il profilo di impedenza come regola di progettazione generale a tutti i nodi su tutti gli strati selezionando l'opzione "Tutti i Nodi". Puoi anche applicare questa opzione a una Classe di Nodi, che applicherà automaticamente la regola a più nodi in una singola classe.

Si noti che, nella tabella in fondo alla finestra di dialogo, è possibile vedere quali strati sono abilitati nel profilo di impedenza. Qui, la regola si applicherà solo a TopLayer e BottomLayer durante il routing. Per abilitare altri strati di segnale, tornare nel Gestore dello Stack di Strati e aprire la scheda Impedenza. Da qui, è possibile abilitare altri strati dove si desidera imporre questa regola di progettazione.

Coppie Differenziali

Per applicare il profilo di impedenza differenziale, andare in Routing -> Opzione di Routing delle Coppie Differenziali nell'editor delle Regole e Vincoli del PCB. Da qui, è possibile abilitare il profilo di impedenza differenziale configurato nel gestore dello stack di strati. In questo caso, quando si utilizza il router interattivo per le coppie differenziali, il router imporrà la larghezza e la spaziatura delle tracce richieste che hai definito nel profilo di impedenza.

Di seguito è mostrata un'immagine dall'editor delle Regole e Vincoli del PCB, dove è stato applicato un profilo di impedenza differenziale per impostare l'impedenza di tutte le coppie in una Classe di Coppie Differenziali a 90 Ohm.

Così come la regola può essere applicata a specifiche reti a terminazione singola o Classi di Rete, il routing controllato per impedenza differenziale può essere applicato a specifiche coppie differenziali o Classi di Coppie Differenziali come mostrato sopra. Puoi selezionare le specifiche reti o classi su cui questa regola sarà applicata nella parte superiore della finestra di dialogo Regole e Vincoli PCB. Puoi anche abilitare specifici strati dove la regola di controllo dell'impedenza differenziale sarà applicata, proprio come è stato fatto per le reti a terminazione singola.

È il Momento di Iniziare il Routing

Ora che lo stack dei layer è completato e il controllo dell'impedenza è abilitato attraverso le tue regole di progettazione, puoi iniziare il routing nel layout del PCB. Quando utilizzi il router interattivo, noterai che "[Larghezza Da: Regola Preferita]" appare nella barra di stato in basso sullo schermo mentre effettui il routing. Le tue tracce appariranno sul tuo circuito stampato con una larghezza predefinita (e uno spazio definito per le coppie differenziali).

Il controllo dell'impedenza definisce automaticamente la larghezza della tua traccia mentre effettui il routing

Quando si utilizzano gli strumenti di routing su reti a impedenza controllata (sia single-ended che differenziali), lo strumento di routing darà priorità alla larghezza che hai impostato nelle regole di progettazione automaticamente. Non è necessario regolare manualmente la larghezza. Tuttavia, se desideri applicare una larghezza diversa, ci sono diverse opzioni, come definire vincoli di priorità alternativi per strato o definire vincoli basati su stanze per reti specifiche. Questo ti permetterebbe di cambiare il vincolo di larghezza in diverse regioni del PCB, che sarebbe applicato automaticamente dal router interattivo.

Infine, il routing controllato per impedenza sul tuo PCB non è accurato a meno che non vengano eseguite simulazioni di integrità del segnale per determinare la larghezza appropriata per le tue tracce. Alcuni di questi aspetti possono essere esaminati in Altium Designer, mentre altri richiedono un'applicazione software esterna. Alcune delle metriche importanti di integrità del segnale che puoi considerare sono:

• Forma d'onda di riflessione TDR
• Forma d'onda di risposta di un singolo bit
• Parametri S (S11 e S21)
• Diagrammi oculari per alte velocità di dati seriali
• Conversione di modo (per coppie differenziali)

In Altium Designer, è possibile esaminare grandi disadattamenti di impedenza all'estremità di ricezione di un interconnessione osservando la forma d'onda di riflessione. Questa sarebbe la forma d'onda di risposta a singolo bit menzionata sopra. Ciò consente l'identificazione di oscillazioni e del potenziale per superare i limiti di soglia di tensione alto/basso per lo stato logico ALTO. Fare ciò correttamente richiede una descrizione accurata dell'interfaccia per i tuoi pin di segnale, che richiede la conoscenza della famiglia logica del pin o l'uso di un modello IBIS. Alcuni produttori rendono disponibili per il download e l'uso nei analizzatori di integrità del segnale nel dominio temporale i modelli IBIS, come la funzionalità di Analisi dell'Integrità del Segnale in Altium Designer.

Il motore di progettazione basato su regole in Altium Designer semplifica l'implementazione di uno schema di routing controllato dall'impedenza. Se hai un progetto esistente che presenta problemi di integrità del segnale, il simulatore di integrità del segnale può iterare attraverso possibili schemi di terminazione e mostrarti i risultati, permettendoti di selezionare lo schema giusto per terminare le tue tracce.

Parla oggi con un esperto Altium per saperne di più sugli strumenti di routing e integrità del segnale in Altium Designer.