Cos'è la Progettazione ad Alta Velocità?

Zachariah Peterson
|  Creato: July 24, 2021  |  Aggiornato: December 5, 2021
Cos’è la progettazione ad alta velocità

Gran parte dei circuiti stampati odierni può essere considerata suscettibile ai problemi d’integrità del segnale tipici della progettazione digitale ad alta velocità. La progettazione e il layout di PCB ad alta velocità si concentrano sulla creazione di progetti di circuiti stampati meno suscettibili ai problemi d'integrità del segnale, d'integrità dell'alimentazione ed EMI/EMC. Sebbene nessun progetto possa esserne completamente immune, questi effetti possono essere minimizzati per non creare problemi di prestazioni nel prodotto finale.

Una volta creati gli schematici, e prima di passare al layout del circuito stampato, è importante sfruttare le funzionalità specifiche degli strumenti di progettazione PCB per effettuare un layout e un routing ottimali. Col tuo software di progettazione PCB, potrai pianificare il posizionamento dell'alimentazione e del piano di massa nello stack-up PCB, calcolare i profili d’impedenza per le tracce, nonché visualizzare le opzioni di materiale per lo stack-up. Gran parte della progettazione ad alta velocità ruota attorno alla progettazione e al routing dello stack-up per garantire l'integrità del segnale e dell'alimentazione. Per questo un buon software ECAD può fare la differenza.

  1. Pianificazione dello stack-up e dell'impedenza PCB
  2. Pianificazione di un PCB ad alta velocità
  3. Routing, integrità del segnale e integrità dell'alimentazione
  4. Strumenti avanzati per la progettazione e il layout ad alta velocità

La progettazione ad alta velocità si riferisce specificamente a sistemi che utilizzano segnali digitali ad alta velocità per trasferire i dati tra i componenti. La linea di demarcazione tra un progetto digitale ad alta velocità e un semplice circuito stampato con protocolli digitali più lenti è poco chiara. La metrica generalmente utilizzata per definire un sistema ad "alta velocità" è l’edge rate (o tempo di salita) dei segnali digitali utilizzati nel sistema. La maggior parte dei progetti digitali utilizza protocolli digitali ad alta velocità (edge rate veloce) e a bassa velocità (edge rate lenta). Nell'era dell'informatica integrata e dell'IoT, la maggior parte dei PCB ad alta velocità dispone di un front-end RF per la comunicazione e le connessioni wireless.

Sebbene tutti i progetti inizino da uno schematico, una fase importante della progettazione dei PCB ad alta velocità si focalizza sulla progettazione d’interconnessioni, stack-up PCB e sul routing. Operare bene nei primi due ambiti offre buone possibilità di successo nel terzo. Continua a leggere per saperne di più sulla progettazione ad alta velocità e per capire l'importanza che il software di progettazione PCB ricopre.

Pianificazione dello Stack-up e dell'Impedenza PCB

Lo stack-up PCB che creerete per un circuito ad alta velocità determinerà l'impedenza, così come la facilità di routing. Tutti gli stack-up PCB includono una serie di layer dedicati al segnale ad alta velocità, all'alimentazione e ai piani di massa. Sono diversi i punti da tenere a mente quando si assegnano i layer di uno stackup:

  • Dimensioni della scheda e numero di connessioni: quanto sarà grande la scheda e quante connessioni sarà necessario sbrogliare nel layout PCB. Schede più grandi potrebbero avere spazio a sufficienza per consentire il routing anche in presenza di pochi layer di segnale.
  • Densità del routing: nel caso in cui le connessioni siano numerose e le dimensioni della scheda limitate a una piccola regione, potrebbe non restare molto spazio per il routing sul layer superficiale. Si avrà quindi bisogno di utilizzare layer di segnale interni con tracce ravvicinate. Ridurre la dimensione della scheda può portare a una maggiore densità di routing.
  • Numero d’interfacce: potrebbe essere una buona strategia quella di sbrogliare solo una o due interfacce per layer, a seconda della larghezza del bus (in serie o parallelo) e delle dimensioni della scheda. Mantenere tutti i segnali in un'interfaccia digitale ad alta velocità sullo stesso layer, garantisce impedenza uniforme e skew per tutti i segnali.
  • Segnali a bassa velocità e RF: saranno presenti segnali digitali o RF a bassa velocità nel progetto digitale? Questi potrebbero occupare spazio sullo strato superficiale che potrebbe essere utilizzato per un bus o componenti ad alta velocità. Per questo potrebbe essere necessario aggiungere un layer interno aggiuntivo.
  • Integrità dell'alimentazione: uno dei capisaldi dell'integrità dell'alimentazione è l'uso di un grande piano d'alimentazione e di massa per ciascun livello di tensione richiesto nei circuiti integrati di grandi dimensioni. Questi dovrebbero essere posizionati su layer adiacenti per garantire un'elevata capacità piana in grado di supportare una potenza stabile con i condensatori di disaccoppiamento.

Materiale PCB, Numero di Layer e Spessore

Prima di progettare lo stack-up PCB, è importante considerare il numero di layer necessario per accomodare tutti i segnali digitali nel progetto. Esistono diversi modi per stabilire questo numero, e quasi tutti richiedono calcoli matematici ed una certa esperienza pregressa nella progettazione di schede ad alta velocità. Oltre ai punti sopra elencati, sono i grandi circuiti integrati ad alta velocità con footprint BGA/LGA a dettare la dimensione della scheda. Quando si esegue il fanout BGA, è generalmente possibile inserire 2 file per ciascun layer di segnale, assicurandosi d’includere i piani di potenza e di massa nel conteggio dei layer durante la creazione dello stack-up.

Fanout BGA su un FPGA con un grande poligono
Fanout BGA su un FPGA con un grande poligono utilizzato per fornire alimentazione in un progetto ad alta velocità.

I materiali FR4 possono essere generalmente utilizzati in un progetto digitale ad alta velocità purché i percorsi tra i componenti non siano troppo lunghi. Percorsi particolarmente lunghi creano infatti perdite eccessive nel canale ad alta velocità, causando problemi di recupero dei segnali nei componenti all'estremità del ricevitore. La proprietà del materiale più importante da considerare durante la selezione è la tangente dell'angolo di perdita dei laminati PCB. Anche la geometria del canale contribuisce a determinare le perdite, ma optare per un laminato FR4 con una bassa tangente è un buon punto di partenza per la progettazione di schede di dimensione contenuta.

Se si prevedono percorsi molto lunghi, potrebbe essere necessario scegliere un materiale più specializzato come substrato per i segnali ad alta velocità. I laminati a base di PTFE, i laminati in vetro spalmato o altri sistemi di materiali specializzati sono una buona scelta per il supporto di schede digitali ad alta velocità di dimensioni maggiori, ovvero con percorsi molto lunghi che richiedono una bassa perdita d’inserzione. Un buon pacchetto di materiali laminati di livello base ad alta Tg per PCB ad alta velocità di piccole dimensioni è il 370HR. Per le schede più grandi, sono buone opzioni i laminati Megtron o Duroid. È importante parlare col produttore prima di procedere, per assicurarsi che la selezione del materiale e lo stack-up proposto siano fabbricabili.

Controllo dell'Impedenza

L'impedenza può essere determinata solo dopo aver creato uno stack-up potenziale e averlo convalidato con il produttore. Il produttore potrebbe proporre infatti modifiche allo stack-up PCB, così come consigliare materiali e spessori alternativi. Una volta ricevuta conferma riguardo allo stack-up e finalizzati gli spessori dei layer, è possibile iniziare con il calcolo dei valori d’impedenza.

L'impedenza viene solitamente calcolata utilizzando una formula o un calcolatore con uno strumento field solver. Sarà l'impedenza richiesta dal progetto a determinare le dimensioni della linea di trasmissione e la distanza dai piani di massa e potenza vicini. La larghezza della linea di trasmissione può essere determinata con i seguenti strumenti:

Potendo tener conto della rugosità del rame, dell'incisione, della disposizione delle linee asimmetriche e delle coppie differenziali, l'utilizzo di un Layer stack manager e di un field solver garantisce risultati più accurati. Una volta calcolato il profilo d’impedenza per le tracce, sarà necessario impostarlo come regola di progettazione negli strumenti di routing per garantire che le tracce mantengano l'impedenza richiesta.

Progettazione ad alta velocità
Calcolo dell'impedenza per linee di trasmissione in una scheda ad alta velocità. Il Layer Stack Manager di Altium Designer include un calcolatore d’impedenza capace di tener conto della rugosità del rame.

La maggior parte dei protocolli per i segnali ad alta velocità, come PCIe o Ethernet, utilizza il routing di coppia differenziale. Sarà quindi necessario progettare un'impedenza differenziale specifica, calcolando la larghezza e la spaziatura della traccia. I field solver sono le migliori utilità per il calcolo dell'impedenza differenziale in qualsiasi geometria (microstriscia, stripline o complanare). Un altro importante dato calcolato dal field solver è il ritardo di propagazione, che verrà utilizzato durante il routing ad alta velocità per impostare l’equalizzazione delle lunghezze.

Pianificazione di un PCB ad Alta Velocità

Non ci sono regole o standard specifici per il posizionamento dei componenti in un layout PCB ad alta velocità. In generale, è buona prassi posizionare l'IC del processore centrale più grande, il più vicino possibile al centro della scheda, in quanto dovrà generalmente interfacciarsi in qualche modo con tutti gli altri componenti. I circuiti integrati più piccoli, collegati direttamente al processore centrale, possono essere posizionati attorno al circuito integrato centrale in modo da mantenere il routing tra componenti il più breve e diretto possibile. Le periferiche possono quindi essere posizionate sulla scheda per ottenere la funzionalità richiesta.

Layout PCB ad alta velocità
Il layout ad alta velocità funziona al meglio quando l'IC del controller principale è posizionato il più vicino possibile al centro della scheda e circondato dalle altre periferiche ad alta velocità. Questo è uno dei motivi per cui le schede madri hanno un processore di grandi dimensioni posizionato al centro. Il progetto MiniPC realizzato in Altium Designer ha le periferiche PCIe, DDR4, USB 3.0 ed Ethernet posizionate attorno al SoC FPGA centrale, in modo da ottenere un routing semplice e pulito.

Una volta posizionati i componenti, è possibile impostare gli strumenti di progettazione per iniziare a sbrogliare il progetto. Questa è una parte delicata della progettazione delle schede ad alta velocità: un routing scorretto può infatti compromettere l'integrità del segnale. Tuttavia, se i passaggi precedenti sono stati completati correttamente, l'integrità del segnale sarà molto più facile da ottenere. Si dovrebbe impostare il profilo d’impedenza nelle regole di progettazione del PCB, in modo che tutti i percorsi siano posizionati seguendo la giusta larghezza e spaziatura per mantenere un'impedenza controllata durante il routing.

Routing, Integrità del Segnale e Integrità dell'Alimentazione

L'integrità del segnale inizia con il progettare la scheda a un valore d’impedenza specifico, da mantenere durante il layout e il routing. Ecco alcune strategie per garantire l'integrità del segnale:

  • Creare percorsi tra i componenti il più brevi possibile per assicurare segnali ad alta velocità.
  • Ridurre al minimo il routing attraverso i fori di via, possibilmente utilizzando solo due via in entrata e in uscita da un layer interno.
  • Eliminare gli stub sulle linee ad altissima velocità (ad es. 10G+ Ethernet) con il backdrilling.
  • Prestare attenzione alla necessità di eventuali resistori di terminazione per prevenire la riflessione del segnale. È importante consultare le schede tecniche per vedere se è presente o meno una terminazione on-die.
  • Consultare il proprio produttore per quanto riguarda i materiali e i processi da utilizzare per evitare accumuli di skew sulle interconnessioni.
  • Utilizzare un calcolo approssimativo, o una simulazione della diafonia, per determinare la spaziatura appropriata tra le connessioni nel layout del circuito stampato.
  • Tenere un elenco aggiornato dei bus e delle connessioni che necessitano di equalizzazione, in modo da poter applicare strutture di equalizzazione per eliminare lo skew.

Questi punti cruciali possono essere codificati come regole di progettazione per gli strumenti di routing, aiutandoti a rispettare le migliori pratiche per la progettazione ad alta velocità.

Routing PCB ad Alta Velocità

Le regole di progettazione impostate nel progetto ad alta velocità assicurano il raggiungimento del target d’impedenza, così come il mantenimento di spaziatura e lunghezza corrette durante il routing. È inoltre possibile applicare importanti regole per il routing delle coppie differenziali, in particolare la minimizzazione delle linee non equalizzate per prevenire lo skew, così come la spaziatura forzata tra le tracce, per garantire il raggiungimento degli obiettivi d’impedenza differenziale. I migliori strumenti di routing permettono inoltre di codificare i limiti della geometria di traccia come regole di progettazione, garantendo prestazioni ottimali.

Equalizzazione delle lunghezze nella progettazione ad alta velocità
L’equalizzazione delle lunghezze viene effettuata su bus paralleli e tra tracce nelle coppie differenziali, assicurando l'equalizzazione del ritardo temporale ed eliminando lo skew tra i segnali osservati al ricevitore.

Uno dei punti cruciali nel routing PCB ad alta velocità è il posizionamento dei piani di terra vicino alle tracce. Lo stack-up PCB dovrebbe essere pensato per avere piani di massa in layer adiacenti ai segnali ad impedenza controllata, in modo da mantenere un'impedenza costante e definire un chiaro percorso di ritorno sul layout PCB. Le tracce non devono essere sbrogliate su vuoti o interruzioni nei piani di massa per scongiurare una discontinuità d’impedenza che potrebbe creare problemi d'emissioni elettromagnetiche. Il buon posizionamento del piano di massa non garantisce soltanto l'integrità del segnale, ma svolge anche un ruolo importante nell'assicurare l'integrità dell'alimentazione e un'erogazione di potenza stabile.

Integrità dell'Alimentazione

Garantire un'alimentazione stabile ai componenti ad alta velocità è fondamentale dal momento che i problemi d’integrità dell'alimentazione si mascherano spesso come problemi d’integrità del segnale. Possono inoltre creare radiazioni prevenibili da interconnessioni e bus, dal momento che i transitori creano forti oscillazioni fortemente irradiate. Per garantire un'erogazione di potenza stabile, è bene utilizzare gruppi di condensatori di disaccoppiamento con una gamma di auto-risonanze per garantire che il progetto abbia una bassa impedenza sulla larghezza di banda il più ampia possibile. L'utilizzo di piani di massa e di potenza su layer adiacenti fornisce capacità aggiuntiva per aiutare a mantenere bassa l'impedenza della PDN.

Strumenti Avanzati per la Progettazione e il Layout ad Alta Velocità

Il miglior software di progettazione PCB ad alta velocità riunisce tutte queste funzionalità in un'unica applicazione, rendendo superfluo l'utilizzo di flussi di lavoro e strumenti separati. I progettisti di PCB ad alta velocità devono eseguire molto lavoro front-end per garantire l'integrità del segnale, l'integrità dell'alimentazione e la compatibilità elettromagnetica. I giusti strumenti di layout ad alta velocità possono aiutarli a implementare i risultati delle loro analisi, nonché impostarli come regole di progettazione per garantire la buona riuscita del progetto.

Il software di progettazione PCB più avanzato del settore si interfaccia con le applicazioni di simulazione per aiutarti a eseguire analisi fondamentali. Molti programmi di simulazione sono specificamente orientati alla valutazione dell'integrità del segnale e dell'alimentazione in un nuovo progetto, nonché all'analisi delle interferenze elettromagnetiche in un layout PCB. Le simulazioni sono cruciali nella progettazione ad alta velocità, in quanto possono aiutare nell'individuazione di specifici problemi SI/PI/EMI prima di passare alla fase di produzione. Alcuni esempi includono il tracciamento del percorso di ritorno, l'individuazione di una discontinuità d’impedenza nelle tracce e il posizionamento ideale dei condensatori di disaccoppiamento per prevenire l'EMI.

Progettazione PCB ad alta velocità
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Quando è necessario creare sistemi digitali avanzati ad alta velocità, garantendo al contempo l'integrità del segnale e dell'alimentazione, è importante avere a disposizione il miglior pacchetto di strumenti di progettazione e layout ad alta velocità costruiti su un motore di progettazione basato su regole. Che tu abbia bisogno di creare il layout di un computer a scheda singola ad alta densità, o di un complesso PCB a segnale misto, i migliori strumenti di layout PCB soddisferanno le tue esigenze, aiutandoti a creare il layout PCB ad alta velocità.

I progettisti di circuiti, gli ingegneri di layout e gli ingegneri SI/PI si affidano agli strumenti di progettazione avanzati di Altium Designer® per la progettazione e il layout ad alta velocità. Quando hai ultimato un progetto e sei pronto per mandarlo in produzione, la piattaforma Altium 365™ semplifica la collaborazione e la condivisione dei tuoi lavori.

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Sull'Autore

Sull'Autore

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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