고급 PCB를 위한 고속 라우팅 지침

이 고속 라우팅 지침을 사용하여 이 고급 보드를 만들 수 있습니다

새로운 디자인은 계속해서 더 빨라지고 있으며, PCIe 5.0은 32 Gb/s에 도달하고, PAM4는 신호 무결성과 속도를 한계까지 밀어붙이고 있습니다. 적절한 인터커넥트 디자인은 고급 장치의 낮은 노이즈 마진, 완벽한 전력 안정성 요구 사항 등을 고려하여 신호가 제대로 수신될 수 있도록 해야 합니다.

고급 장치가 낮은 신호 수준에서 작동함에 따라, 고속 라우팅 지침은 인터커넥트 전체에서 임피던스 불연속으로 인한 신호 손실, 왜곡 및 반사를 방지하는 데 중점을 둡니다. 특히 다중 레벨 신호를 사용할 때 초고속 신호 전송을 위해서는 여기에 제시된 모든 고속 설계 지침을 심각하게 고려하고 실천에 옮기기 시작해야 합니다.

중요한 고속 라우팅 지침

고속이 특히 새로운 PCIe 세대에서 서브 나노초 영역에 이르고, 고속 네트워킹 장비를 지원하기 위해, 모든 디자이너는 몇 가지 기본적인 고속 PCB 라우팅 지침을 염두에 두어야 합니다. 새로운 장치가 계속해서 속도 한계를 깨뜨리고 있으므로, 애플리케이션을 만족시키기 위해 몇 가지를 선택하기보다는 이러한 지침을 모두 염두에 두어야 할 가능성이 높습니다.

제어된 임피던스 라우팅 및 전력 무결성을 위한 스택업

스택업은 신호 무결성뿐만 아니라 전력 무결성에도 중요합니다. 마찬가지로 신호 대역폭이 10GHz 이상으로 확장됨에 따라, 특히 다중 레벨 신호 체계(예를 들어, 400G 네트워킹을 위한 PAM4)와 함께, 연결부의 임피던스를 제어하여 적절한 종단 및 매칭을 보장해야 합니다. 또한 링잉(즉, 과도 응답을 비판적으로 감쇠시키기)을 최소화하려고 시도하면서 임피던스를 일정하게 유지해야 합니다. 이는 세심한 스택업 엔지니어링과 연결부 설계를 요구합니다.

차동 쌍 라우팅 및 길이 매칭

공통 모드 노이즈가 신호 무결성에서 주요 문제인 만큼, 제어된 임피던스 라우팅의 일부로 차동 쌍의 길이에 걸쳐 충분한 커플링을 보장해야 합니다. 이는 차동 쌍의 길이에 걸쳐 위상 매칭도 필요합니다. 커플링된 영역은 가능한 한 수신기까지 직접 연장되어야 하며, 어떤 비커플링 영역은 드라이버에 한정되어 길이가 매칭되어야 합니다. 이는 공통 모드 노이즈가 수신기에서 완벽하게 위상이 일치하는 것으로 간주되어 완전히 억제됨을 보장합니다.

적합한 기판 재료 선택

더 빠른 상승 시간이 요구됨에 따라, 낮은 손실 탄젠트와 평탄한 분산을 가진 기판 재료를 찾아야 할 필요성이 생깁니다. 분산은 여기서 매우 중요한데, 이는 연결선의 길이에 따라 임피던스와 전파 상수에 지속적인 변화를 일으키기 때문입니다. 첫째, 분산은 전자기 펄스(즉, 디지털 신호)가 전파됨에 따라 퍼지게 합니다. 둘째, 강한 분산의 존재하에서 신호의 상승 에지에서 본 임피던스는 하강 에지에서 본 임피던스와 일치하지 않아, 강한 왜곡을 초래합니다. 관련 대역폭에서 유전 상수가 평탄한지 확인해야 하며, 이는 12 Gbps에서 PAM4에서 쉽게 30 GHz를 포괄합니다.

짧은 트레이스와 백드릴링

전력 손실을 최소화하기 위해 트레이스는 가능한 한 짧게 라우팅해야 합니다. 분산이 문제가 되는 경우, 이는 펄스가 분산으로 인해 늘어나므로 펄스 왜곡을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 트레이스에 있는 비아도 정확한 임피던스로 설계되지 않으면 임피던스 불연속을 생성할 수 있으므로 최소화해야 합니다. 연결선에 존재하는 모든 비아는 백드릴링되어야 하며, 남아 있는 비아 스터브는 또 다른 임피던스 불연속을 나타내므로 신호 반사의 또 다른 기회를 제공합니다. 이 스터브는 고속/주파수에서 공진할 수도 있어, 근처 연결선에 노이즈를 결합시키는 안테나처럼 작동할 수 있습니다.

주파수에 따른 마이크로스트립 특성 임피던스의 변화. 이 그림을 제작해준 Simberian의 Yuriy Shlepnev에게 감사를 표합니다.

고속 대 고데이터율: 다중 레벨 신호 및 광섬유

단순한 OOK 또는 NRZ 변조 신호의 경우, 이진 ON/OFF 상태를 정의하는 두 개의 신호 레벨이 실질적으로 있습니다. 실제로, 데이터율은 차동 연결에서 드라이버가 제공하는 신호의 상승/하강 시간에 의해 제한됩니다. 더 높은 데이터율로의 이동은 상승 및 하강 시간을 한계까지 밀어붙였으며, 결국 32, 56, 112 Gbps에서 피코초 수준까지 도달했습니다.

이는 지터 허용치를 매우 낮은 수준으로 밀어붙이는데, 이는 고전력을 소모하는 IC에서 출력으로 전력 버스 리플이 전파되지 않도록 충분한 전력 안정성을 요구합니다. PDN의 리플로 인해 구동되는 IC에서 ~1 ps/mV 지터가 유발되는 것을 흔히 볼 수 있습니다. 이때 PDN 임피던스가 밀리옴 수준이나 그 이하로 도달해야 PDN의 리플을 ~2%까지 낮출 수 있으며, 이는 1.2 V 장치의 경우 ~30 mV의 피크-피크 전압 변동에 해당합니다. 지터를 ~1 ps 수준이나 그 이하로 낮춰야 하는데, 이는 다중 레벨 신호를 사용하는 PCB에 적합합니다.

이렇게 낮은 신호 수준에서 데이터 전송률을 높이려면 병렬로 더 많은 채널을 라우팅함으로써 더 높은 대역폭 밀도로 작업해야 합니다. 네트워킹 장비에서는 초고속 광섬유 네트워킹 장비에서 더 많은 병렬 Tx 및 Rx 다중화 채널과 인터페이스하기 위해 차동 신호를 계속 사용할 것입니다. 광학 장치는 PCB에 직접 장착되어 빠른 광다이오드와 더 높은 대역폭의 VCSEL을 사용하여 시스템 칩과 인터페이스합니다.

백플레인의 시스템 컨트롤러와 인터페이스하기 위한 보드 장착 광학 어셈블리.

디자이너들은 새로운 네트워킹 장비 및 기타 고급 애플리케이션에서 요구하는 데이터 전송 속도를 어떻게 더 높일 수 있을까요? 이게 어디로 향하고 있는지 모르겠다면, 우리는 PCB 수준에서 광학과 전자기술의 융합을 시작으로 보게 될 것이며, 결국에는 IC 수준에까지 도달할 것입니다. 주요 IC 제조업체들은 이미 실리콘 광자 IC를 위한 공급망을 개발하고 이 새로운 제품들에 대한 일정 수준의 표준화를 개발하기 위해 함께 모이고 있습니다. 이는 많은 신호 무결성 문제를 완화하고 PCB 커뮤니티의 일부 설계 제약을 완화할 것이지만, 동시에 디자이너들이 고급 제품을 만드는 방식을 재고하도록 강요할 것입니다.

Altium Designer^®의 포괄적인 라우팅 도구 세트는 여기에 제시된 고속 PCB 라우팅 지침을 정의하고 구현하는 데 이상적이며, 그 이상의 것도 가능합니다. 중요한 고속 라우팅 지침을 설계 규칙으로 정의하고 강력한 시뮬레이션 도구로 신호 무결성을 검토할 수 있습니다. 이러한 도구들은 단일 플랫폼에 통합되어 있어 워크플로우에 빠르게 통합될 수 있습니다.

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