Integrità del Segnale in PCB Multi-Scheda: Una Guida Completa

Il design di PCB multi-board sembra molto semplice in superficie. Si tratta di progettare un assemblaggio di più schede e collegarle insieme con cavi, connessioni a bordo, connettori mezzanine, pogo pins, ecc. I PCB multi-board presentano una serie di sfide relative all'integrità del segnale che non si trovano sempre nei sistemi che dispongono di un singolo PCB. Che si abbia una singola scheda o un assemblaggio di più schede, l'integrità del segnale deve essere mantenuta, specialmente nei sistemi avanzati trovati in aree come militare, aerospaziale, HPC e AI.

Dove si applicano quindi i principi di integrità del segnale in un assemblaggio di PCB multipli? Ci sono alcune aree dove l'integrità del segnale deve essere mantenuta e spesso qualificata sperimentalmente:

• Pinout dei connettori e interfacce
• Progettazione di cavi e fascette
• Connessioni di ritorno a un involucro, ad esempio, un involucro metallizzato

I problemi di integrità del segnale in queste aree possono anche trasformarsi in problemi di EMI/EMC, e questo è particolarmente vero nei PCB multi-board.

In questa guida, mi prefiggo di illustrare come selezionare componenti e progettare interconnessioni in modo tale che l'integrità del segnale su più schede sia mantenuta. Questi passaggi non eliminano comunque la necessità di integrità del segnale sulla PCB; entrambe le aree sono importanti nei sistemi e aiutano a prevenire problemi di EMI.

Segnali ed Emissioni su Interconnessioni Multi-Scheda

Quando si parla di progettazione PCB multi-scheda, ovviamente stiamo trasferendo segnali tra due PCB, quindi dovremmo conoscere qualcosa sui segnali e sulle potenziali emissioni che possono creare. Questo riferimento alle emissioni è uno dei collegamenti fondamentali tra EMI/EMC e la progettazione PCB multi-scheda.

Il tipo di emissioni e rumore che puoi aspettarti dipende dal tipo di segnale che devi inviare tra due PCB:

• Segnali differenziali, che sono auto-referenziati
• Segnali a terminazione singola, che richiedono un riferimento
• Segnali sinusoidali o a banda stretta, che generalmente sono a terminazione singola

Il tipo di segnale e la velocità di transizione determineranno la progettazione del tuo pinout, assumendo che un pinout non sia stato predeterminato per te. Se puoi progettare il tuo pinout in modo appropriato e selezionare il connettore appropriato, puoi garantire l'integrità del segnale attraverso l'interfaccia del connettore.

Oltre alla progettazione del pinout, il connettore stesso può essere responsabile di problemi di integrità del segnale. Il principale problema di integrità del segnale che può sorgere nelle connessioni da scheda a scheda è l'eccessiva riflessione, che porta a radiazione. Nel campo vicino, la radiazione può essere ricondotta direttamente al corpo del connettore stesso, soprattutto a causa della mancanza di un riferimento di terra consistente che contenerebbe un segnale. Infine, sebbene un particolare connettore possa avere un pinout appropriato ed essere valutato per una certa velocità di trasmissione dati, un ingresso di traccia errato nel corpo del connettore o i monconi residui possono creare una perdita eccessiva.

Prima, diamo un'occhiata al tipo di connettori che sarebbero necessari in situazioni in cui l'integrità del segnale è una preoccupazione maggiore.

I migliori tipi di connettori per l'integrità del segnale

I principali fornitori di connettori hanno sviluppato diversi sistemi di interconnessione da scheda a scheda che sono stati provati per l'uso a velocità di trasmissione dati molto elevate. In altre parole, questi sistemi di connettori sono stati dimostrati di funzionare con successo fino a larghezze di banda del canale molto elevate, come determinato dai parametri del dispositivo. Alcuni esempi di questi tipi di connettori includono:

• Connettori bordo a bordo con montaggio a bordo e contatti scorrevoli
• Connettori a lamella (verticale e montaggio a bordo)
• Sistemi di connettori a slot o a lamella con montaggio attraverso il foro, come nei sistemi VPX
• Sistemi di connettori con pin scorrevoli
• Connettori di tipo coassiale per array di connettori
• Connettori con montaggio BGA ad alta densità

Un ottimo esempio di componente che può supportare queste velocità di segnale molto elevate è la coppia di connettori di accoppiamento Samtec a 40 pin QTE/QSE, meglio conosciuta come connettore SYZYGY.

Numero di parte: Samtec QTE-020-01-F-D-A

Nel regno dei sistemi RF, in particolare i sistemi a onde millimetriche, ci sono anche prodotti con connettori coassiali accoppiati che possono essere montati su una PCB e interfacciarsi con un cavo. Ad esempio, il connettore SMPM accoppiato qui sotto.

Numero di parte: TE Connectivity 2441485-1

Infine, mi piace sempre presentare un esempio di connettore passante che può essere trovato nei backplane VPX per illustrare l'utilità di questi connettori, anche nelle interconnessioni ad alta velocità. Sebbene il connettore sia montato come un componente passante, l'interfaccia scheda-scheda non utilizza pin come quelli che si trovano in un header. Invece, si tratta di connettori a contatto scorrevole compatibili con tassi di dati molto elevati.

Connettori di accoppiamento Amphenol SpaceVPX VITA 78

Poiché questo particolare connettore è montato passante su una scheda elettronica, sarebbe necessario implementare il back drilling sui pin di velocità più elevata, oppure si dovrebbe instradare attraverso l'intero stack-up. Un'altra opzione è l'uso di vie a boomerang, ma tipicamente le schede in cui questo tipo di connettore è utilizzato non stanno impiegando strati di costruzione HDI a causa di preoccupazioni riguardanti l'affidabilità.

Pertanto, se i connettori montati passanti saranno utilizzati per trasportare segnali in canali digitali ad alta velocità, assicurati di pianificare attentamente le rotte in modo da poter instradare i segnali attraverso lo stack-up. Qui diventerà importante anche la pianificazione dei pinout, come vedremo tra poco.

Progettazione del Pinout per Interconnessioni Multi-Scheda ad Alta Velocità

I pinout per interconnessioni multi-scheda che supportano segnali ad alta velocità devono includere alcuni riferimenti di terra attraverso un'interconnessione scheda-a-scheda. Questo vale sia che si utilizzino connessioni dirette scheda-a-scheda sia connessioni scheda-a-cavo. Proprio come in un impilamento di PCB, dove allocchiamo certi strati ai piani di terra, vorremmo allocare certi pin al terra in un pinout di connettore.

Una regola molto semplice è quella di collegare a terra i pin tra i segnali digitali. Uno degli esempi comuni che mostro si trova in un altro articolo sulla realizzazione di percorsi nei backplane, specificamente i backplane VPX. L'immagine qui sotto mostra il routing di coppie differenziali in un pinout che funziona a multi gigabit al secondo. Nota che questo connettore è un componente montato verticalmente attraverso foro, e le tracce in arrivo sono vicine allo strato posteriore per lasciare il minimo stub residuo.

Questi pin differenziali Gbps sono disposti in diagonale in questo pinout e sono separati l'uno dall'altro dal terra. Anche se si potrebbero far passare molti più segnali attraverso questo connettore, allocare molti dei pin al terra è essenziale per sopprimere il diafonia differenziale e le emissioni irradiate.

Linee guida per il Pinout

Segui queste semplici linee guida per la progettazione del pinout per aiutare a garantire l'integrità del segnale:

• Utilizza pin di terra intrecciati dove possibile
• Posiziona i pin a singolo terminale adiacenti ai pin di terra
• Sulle coppie differenziali, posiziona i pin positivi e negativi uno accanto all'altro
• Evita la sovrapposizione dei pin differenziali su più righe
• Se ci sono pin non utilizzati, collegali tutti a GND

Perché Intrecciamo il Terra sui Pin

Negli esempi sopra, puoi vedere che i pin di segnale in entrata sono circondati da pin di terra. Questo viene fatto per tre motivi:

• Per minimizzare il crosstalk tra pin
• Per impostare un'impedenza di ingresso consistente nel connettorePer sopprimere le emissioni irradiate dai segnali
• Per contenere il rumore in modo comune sui pin differenziali
• Questi sono i motivi fondamentali per cui includiamo pin di terra sia negli interconnettori a singolo terminale sia negli interconnettori differenziali che entrano in un connettore multipin. Il motivo principale è fornire terra per i segnali a singolo terminale, il che ridurrà le emissioni irradiate e il crosstalk indipendente, specialmente se un segnale viene instradato su un cavo. Il secondo motivo è che spesso nel cavo è necessaria la terra per impostare l'impedenza del cavo, il che è vero per i cavi standardizzati con cavi a coppia intrecciata, come i cavi USB.

   

  Lo stesso vale per connettori e cavi con segnali differenziali. Sebbene sia vero che le coppie differenziali si auto-riferiscono, la presenza di terra modifica il campo elettrico intorno alla coppia differenziale, ed è per questo che influisce sul potenziale per il diafonia differenziale.

  Instradamento dell'ingresso della linea di trasmissione

  I connettori per segnali ad alta velocità potrebbero non avere raccomandazioni specifiche per l'ingresso della linea di trasmissione nel foglio dati del componente quando le tracce si trovano sullo stesso strato dei pin del connettore. Il connettore avrà un'impedenza di ingresso guardando nel tuo cavo o connettore accoppiato, e questa deve essere abbinata all'impedenza della linea di trasmissione. Normalmente, si tratta semplicemente di un'impedenza di 50 ohm per tracce a terminazione singola o un'impedenza differenziale di 100 ohm per tracce differenziali.

  Una nota importante sulle tracce differenziali: un'impedenza differenziale di 100 ohm in questo caso corrisponde realmente a un'impedenza in modo dispari di 50 ohm. Se l'interconnessione è differenziale, assicurati di abbinare all'impedenza differenziale del connettore.

  Un esempio di ingresso di linea su un connettore ad alta densità a due file è mostrato di seguito. Nell'immagine, abbiamo tracce a terminazione singola e tracce differenziali.

  

  Nell'immagine di questa traccia, le coppie differenziali lontane dal connettore sono distanziate, ma le tracce si avvicinano durante l'ingresso nel connettore. È appropriato avvicinarle maggiormente man mano che il percorso entra nei pin del connettore, proprio come si farebbe se si stesse entrando nei pin di un circuito integrato. Un'altra caratteristica notevole di questo connettore è il contatto centrale, che è assegnato a GND e permette l'uso di molteplici coppie differenziali all'interno del gruppo di pin.

  Successivamente, notate che le larghezze delle tracce sono simili alla dimensione del pad. È possibile avere la traccia più larga della dimensione del pad, ma potrebbe essere necessario restringere quella traccia che entra nel pad. Questo può essere richiesto perché, man mano che le tracce si avvicinano ai pin, si potrebbe violare le distanze di sicurezza, e sarebbe necessario un restringimento. Ricordate, queste sono tracce a impedenza controllata, quindi se avete bisogno di tracce più strette, dovrete rendere il substrato più sottile o utilizzare un valore di costante dielettrica più alto.

  Infine, possiamo avere l'ingresso delle tracce attraverso le vie, e questo potrebbe essere fatto come via nel pad o una transizione più indietro dai pin del connettore. A seconda del passo dei pin, potrebbe essere necessario distanziare le vie per evitare un errore DRC di distanza.

  

  Ricorda che stiamo trattando con un connettore valutato per segnali ad alta velocità, quindi anche la transizione tramite via deve essere progettata intenzionalmente. L'intento è quello di abbinare l'impedenza caratteristica della via all'impedenza di ingresso del pin del connettore, con il risultato finale che l'impedenza di ingresso combinata vista alla via corrisponda all'impedenza della tua linea di trasmissione. Ciò significa dimensionare correttamente i seguenti elementi:

  • Dimensione dell'antipad
  • Diametro della via
  • Dimensione del pad di atterraggio della via
  • Presenza o rimozione di NFP
  • Posizione e numero di vie di collegamento

  Questo è generalmente l'approccio che si adotterebbe quando si tratta di una transizione single-ended o differenziale che richiede una larghezza di banda del canale elevata. Inizia ad essere importante quando si lavora sopra circa 3 GHz, cosa che ho mostrato in dettaglio in un altro articolo.

  Analisi di collegamenti ad alta velocità con connettori utilizzando i parametri S

  Così come per altri collegamenti ad alta velocità, i parametri S possono essere utilizzati per analizzare le linee di trasmissione con connettori e cavi come parte dell'interconnessione. Naturalmente, è possibile costruire un'intera geometria di interconnessione utilizzando un modello 3D del corpo del connettore, e persino un modello 3D del cavo; si utilizzerebbe quindi un risolutore di campi elettromagnetici 3D per determinare i parametri S per l'intero collegamento. Ovviamente, questo è un compito molto dispendioso in termini di tempo, che richiede molta potenza di calcolo così come software specializzato.

  Fortunatamente, i fornitori di connettori che commercializzano i loro prodotti per l'uso in collegamenti digitali ad alta velocità o collegamenti RF ad alta frequenza spesso forniscono dati sui parametri S per i loro prodotti in file Touchstone. Puoi quindi utilizzare i dati del fornitore del connettore per creare un modello di rete lineare per l'interconnessione e quindi determinare i parametri S concatenati.

  

  Strumenti di analisi come Simbeor, MATLAB e Keysight ADS possono quindi determinare i parametri S concatenati per questo modello. Ciò indica la trasmissione di potenza e le perdite lungo l'intera interconnessione. Ora puoi prevedere come funzionerà il collegamento in base ad altri parametri nel tuo progetto che puoi controllare, in particolare il design della linea di trasmissione e il design dell'ingresso del connettore. In questa rete, i parametri S per ogni sezione individuale devono essere noti, e poi il simulatore può calcolare la rete concatenata e i suoi parametri S.

  Che dire del problema inverso, dove non si conoscono i parametri S del connettore? In questo caso, sarebbe necessario utilizzare misurazioni per de-incorporare i parametri S per il connettore. In questo caso, il connettore forma il DUT nella rete lineare, e i tuoi parametri S del connettore sono determinati dai parametri S della rete concatenata utilizzando la de-incorporazione. Gli stessi programmi di analisi elencati sopra possono anche essere utilizzati per de-incorporare i parametri S per il connettore purché i parametri S per gli altri componenti nella rete lineare siano noti.

  Per saperne di più, guarda il seguente video di Ben Jordan.