Wytyczne dotyczące szybkiego trasowania dla zaawansowanych PCB

Możesz stworzyć tę zaawansowaną płytkę, korzystając z tych wskazówek dotyczących szybkiego trasowania dla zaawansowanych płytek PCB

Nowe projekty stają się coraz szybsze, z PCIe 5.0 osiągającym 32 Gb/s, a PAM4 przesuwającym granice integralności sygnału i prędkości do limitu. Właściwe projektowanie połączeń musi uwzględniać niższe marginesy szumów zaawansowanych urządzeń, nieskazitelne wymagania dotyczące stabilności zasilania i znacznie więcej, aby zapewnić prawidłowe odbieranie sygnałów.

Z zaawansowanymi urządzeniami pracującymi na niższych poziomach sygnału, wytyczne dotyczące szybkiego trasowania skupiają się na zapobieganiu utracie sygnału, zniekształceniach i odbiciach od nieciągłości impedancji w całym połączeniu. Przy ultrabłyskawicznym sygnalizowaniu, szczególnie przy użyciu sygnalizacji wielopoziomowej, będziesz musiał poważnie rozważyć wszystkie przedstawione tutaj wytyczne dotyczące szybkiego projektowania i zacząć je stosować.

Ważne wytyczne dotyczące szybkiego trasowania

Z szybkimi prędkościami sięgającymi dobrze w subnanosekundowy reżim, szczególnie w nowszych generacjach PCIe, oraz aby wspierać sprzęt do szybkiego sieciowania, każdy projektant powinien mieć na uwadze kilka podstawowych wytycznych dotyczących trasowania PCB. Z nowymi urządzeniami ciągle przekraczającymi limit prędkości, najprawdopodobniej będziesz musiał mieć na uwadze wszystkie te wytyczne, a nie tylko wybierać kilka, które zaspokoją Twoje potrzeby.

Układ warstw dla trasowania z kontrolowaną impedancją i integralnością zasilania

Twoja struktura warstw jest tak samo ważna dla integralności sygnału, jak i dla integralności zasilania. Podobnie, gdy pasma sygnałów rozszerzają się dalej w zakres dziesiątek GHz, szczególnie przy zastosowaniu wielopoziomowych schematów sygnalizacji (weźmy na przykład PAM4 dla sieci 400G), będziesz musiał kontrolować impedancję swoich połączeń, aby zapewnić odpowiednie zakończenie i dopasowanie. Będziesz także musiał odpowiednio dobrać rozmiar ścieżki, aby próbować zminimalizować dzwonienie (tj. krytycznie stłumić odpowiedź przejściową), jednocześnie utrzymując stałą impedancję. Wymaga to starannej inżynierii układu warstw i projektowania połączeń.

Routing i dopasowanie długości par różnicowych

Z uwagi na to, że szum wspólny stanowi duży problem w integralności sygnału, musisz zapewnić wystarczające sprzężenie na całej długości par różnicowych jako część sterowanego routingu impedancji. Wymaga to również dopasowania fazy wzdłuż długości pary różnicowej. Region sprzężony powinien sięgać bezpośrednio do odbiornika, gdzie to możliwe, podczas gdy każdy niesprzężony region powinien być dopasowany długościowo i ograniczony do sterownika w twoim połączeniu. Zapewnia to, że wszelki szum wspólny będzie postrzegany jako będący idealnie w fazie, a tym samym w pełni stłumiony w odbiorniku.

Wybierz odpowiedni materiał podłoża

Z szybszymi czasami narastania pojawia się potrzeba znalezienia materiałów podłoża o niższym tangensie strat i płaskiej dyspersji. Dyspersja jest tutaj bardzo ważna, ponieważ powoduje ciągłą zmianę impedancji i stałej propagacji wzdłuż długości połączenia międzyelementowego. Po pierwsze, dyspersja powoduje rozprzestrzenianie się impulsów elektromagnetycznych (tj. sygnałów cyfrowych) podczas ich propagacji. Po drugie, impedancja widoczna na zboczu narastającym sygnału nie będzie odpowiadać tej widocznej na zboczu opadającym sygnału w obecności silnej dyspersji, prowadząc do silnego zniekształcenia. Powinieneś upewnić się, że stała dielektryczna jest płaska w odpowiednim paśmie, które łatwo obejmuje 30 GHz w PAM4 przy 12 Gbps.

Krótkie ścieżki i wiercenie zwrotne

Ścieżki powinny być prowadzone jak najkrócej, aby straty mocy były minimalizowane. W przypadku, gdy dyspersja stanowi problem, pomaga to zminimalizować zniekształcenia impulsów, ponieważ impulsy będą się rozciągać z powodu dyspersji. Należy również zminimalizować liczbę przelotek na ścieżkach, ponieważ mogą one tworzyć nieciągłość impedancji, jeśli nie są zaprojektowane z dokładną impedancją. Wszelkie obecne na połączeniu międzyelementowym przelotki powinny być poddane wierceniu zwrotnemu, ponieważ każdy pozostały trzon przelotki stanowi kolejną nieciągłość impedancji, a zatem stanowią kolejną okazję do odbicia sygnału. Te trzony mogą również rezonować przy wysokich prędkościach/częstotliwościach, co oznacza, że będą działać jak anteny, które wprowadzają szum do pobliskich połączeń międzyelementowych.

Zmienność charakterystycznej impedancji mikropaska w zależności od częstotliwości. Podziękowania dla Yuriy Shlepnev z Simberian za przygotowanie tej ilustracji.

Wysoka prędkość vs. Wysoka szybkość transmisji danych: Sygnalizacja wielopoziomowa i światłowody

Przy użyciu prostych sygnałów modulowanych OOK lub NRZ, efektywnie masz dwa poziomy sygnału, które definiują twoje binarne stany WŁĄCZ/WYŁĄCZ. W efekcie, twoja szybkość transmisji danych jest ograniczona przez czas narastania/opadania sygnałów dostarczanych przez sterownik na różnicowym połączeniu. Przejście na wyższe szybkości transmisji danych spowodowało, że czas narastania i opadania osiągnął granice, ostatecznie dochodząc do poziomów pikosekundowych przy 32, 56 i 112 Gbps.

To również zmusza do ograniczenia dopuszczalnego jittera do bardzo niskich poziomów, co wymaga wystarczającej stabilności zasilania, aby zapewnić, że tętnienia na magistrali zasilającej nie przenoszą się na wyjście z układu scalonego o wysokim poborze mocy. Często można zaobserwować indukowanie jittera na poziomie ~1 ps/mV w układach scalonych zasilanych przez PDN z powodu tętnień. Tutaj impedancja twojej sieci dystrybucji zasilania (PDN) musi osiągnąć poziom miliomów lub niższy, aby zmniejszyć tętnienia na PDN do wartości tak niskiej jak ~2% dla urządzeń 1,2 V, co odpowiada fluktuacji napięcia szczytowego do szczytowego na poziomie ~30 mV. Musisz obniżyć jitter do poziomu ~1 ps lub niższego, co staje się odpowiednie dla PCB używających sygnalizacji wielopoziomowej.

Przy tak niskich poziomach sygnału, zwiększenie szybkości transmisji danych wymaga pracy z wyższą gęstością pasma poprzez równoległe prowadzenie większej liczby kanałów. W sprzęcie sieciowym będzie to kontynuowane przy użyciu sygnalizacji różnicowej do interfejsu z większą liczbą równoległych kanałów nadawczych i odbiorczych multipleksowanych w ultrabardzo szybkim sprzęcie sieciowym opartym na światłowodach. Optyka jest montowana bezpośrednio na PCB i łączy się z układami systemowymi za pomocą szybkich fotodiod i VCSELi o wyższej przepustowości.

Zestaw optyczny montowany na płycie do interfejsu z kontrolerem systemowym na płycie głównej.

Jak projektanci mogą nadal zwiększać prędkości transmisji danych, aby sprostać wymaganiom nowszych urządzeń sieciowych i innych zaawansowanych aplikacji? Jeśli nie widzisz jeszcze, dokąd zmierza ta sytuacja, zaczniemy obserwować zbieżność pomiędzy optyką a elektroniką na poziomie PCB, która ostatecznie dotrze do poziomu układów scalonych (IC). Główni producenci układów scalonych już łączą siły, aby rozwijać łańcuch dostaw dla układów scalonych fotoniki krzemowej oraz aby opracować pewien poziom standaryzacji dla tych nowych produktów. Pomoże to złagodzić wiele wyzwań związanych z integralnością sygnału i złagodzić niektóre ograniczenia projektowe dla społeczności PCB, ale również zmusi projektantów do przemyślenia sposobu tworzenia zaawansowanych produktów.

Zestaw zaawansowanych narzędzi do trasowania w Altium Designer^® jest idealny do definiowania i wdrażania przedstawionych tutaj wytycznych dotyczących trasowania PCB wysokiej prędkości, i nie tylko. Możesz zdefiniować ważne wytyczne dotyczące trasowania wysokiej prędkości jako zasady projektowe i badać integralność sygnału za pomocą potężnych narzędzi symulacyjnych. Te narzędzia są zintegrowane w jedną platformę, co pozwala na ich szybkie włączenie do Twojego procesu pracy.

Skontaktuj się z nami lub pobierz bezpłatną wersję próbną, jeśli jesteś zainteresowany dowiedzeniem się więcej o Altium Designer. Będziesz miał dostęp do najlepszych w branży narzędzi do projektowania układów, symulacji i zarządzania danymi w jednym programie. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.

Rozpocznij podróż, aby już dziś przejść na Altium Designer.