Diretrizes para Roteamento de Alta Velocidade em PCBs Avançados

Você pode criar esta placa avançada com estas diretrizes de roteamento de alta velocidade para PCBs avançados

Os novos designs continuam a ficar mais rápidos, com PCIe 5.0 alcançando 32 Gb/s, e PAM4 levando a integridade do sinal e as velocidades ao limite. O design de interconexão adequado deve levar em conta as margens de ruído mais baixas dos dispositivos avançados, requisitos impecáveis de estabilidade de energia, e muito mais para garantir que os sinais possam ser recebidos corretamente.

Com dispositivos avançados operando em níveis de sinal mais baixos, as diretrizes de roteamento de alta velocidade estão focadas em prevenir perda de sinal, distorção e reflexões de descontinuidades de impedância ao longo das interconexões. Com sinalização ultra-rápida, particularmente com o uso de sinalização multinível, você precisará considerar seriamente todas as diretrizes de design de alta velocidade apresentadas aqui e começar a colocá-las em prática.

Diretrizes Importantes de Roteamento de Alta Velocidade

Com altas velocidades alcançando bem o regime sub-nanosegundo, particularmente em novas gerações de PCIe, e para suportar equipamentos de rede de alta velocidade, qualquer designer deve manter algumas diretrizes básicas de roteamento de PCB de alta velocidade em mente. Com dispositivos mais novos continuando a quebrar o limite de velocidade, você provavelmente precisará manter todas essas diretrizes em mente, em vez de escolher algumas para satisfazer sua aplicação.

Empilhamento para Roteamento de Impedância Controlada e Integridade de Energia

Sua pilha é tão importante para a integridade do sinal quanto é para a integridade da alimentação. Da mesma forma, à medida que as larguras de banda do sinal se estendem ainda mais para as dezenas de GHz, particularmente com esquemas de sinalização multinível (pegue o PAM4 para redes de 400G como exemplo), você precisará controlar a impedância de suas interconexões para garantir a terminação e compatibilização adequadas. Você também precisará dimensionar adequadamente seu traço para tentar minimizar o ringing (ou seja, amortecer criticamente a resposta transitória) enquanto mantém a impedância constante. Isso requer uma engenharia de pilha meticulosa e design de interconexão.

Roteamento de Par Diferencial e Correspondência de Comprimento

Com o ruído de modo comum sendo um grande problema na integridade do sinal, você precisará garantir acoplamento suficiente ao longo do comprimento dos pares diferenciais como parte do roteamento de impedância controlada. Isso também requer correspondência de fase ao longo do comprimento de um par diferencial. A região acoplada deve se estender diretamente ao receptor, quando possível, enquanto qualquer região desacoplada deve ser correspondida em comprimento e confinada ao driver em sua interconexão. Isso garante que qualquer ruído de modo comum será visto como estando perfeitamente em fase e, assim, totalmente suprimido no receptor.

Escolha o Material de Substrato Correto

Com tempos de subida mais rápidos surge a necessidade de encontrar materiais de substrato com menor tangente de perda e dispersão plana. A dispersão é muito importante aqui, pois cria uma mudança contínua na impedância e na constante de propagação ao longo do comprimento de um interconector. Primeiro, a dispersão faz com que os pulsos eletromagnéticos (ou seja, sinais digitais) se espalhem à medida que se propagam. Segundo, a impedância vista na borda de subida do sinal não corresponderá à vista na borda de descida do sinal na presença de forte dispersão, levando a uma forte distorção. Você deve garantir que a constante dielétrica seja plana com a largura de banda relevante, que facilmente abrange 30 GHz em PAM4 a 12 Gbps.

Trilhas Curtas e Retroperfuração

As trilhas devem ser roteadas o mais curto possível para que as perdas de potência sejam minimizadas. No caso em que a dispersão é um problema, isso ajuda a minimizar a distorção do pulso, pois os pulsos se estenderão devido à dispersão. Vias também devem ser minimizadas nas trilhas, pois podem criar uma descontinuidade de impedância se não forem projetadas com impedância exata. Qualquer via presente em um interconector deve ser retroperfurada, pois qualquer toco de via restante representa outra descontinuidade de impedância, assim eles apresentam outra oportunidade para reflexão de sinal. Esses tocos também podem ressoar em altas velocidades/frequências, significando que atuarão como antenas que acoplam ruído em interconectores próximos.

Variação na impedância característica de microstrip com frequência. Agradecimentos a Yuriy Shlepnev da Simberian por produzir esta figura.

Alta Velocidade vs. Alta Taxa de Dados: Sinalização Multinível e Fibra

Com sinais simples OOK ou modulados por NRZ, você efetivamente tem dois níveis de sinal que definem seus estados binários LIGADO/DESLIGADO. Na prática, sua taxa de dados é limitada pelo tempo de subida/descida dos sinais fornecidos pelo driver em uma interconexão diferencial. A movimentação para taxas de dados mais altas empurrou os tempos de subida e descida ao limite, alcançando finalmente níveis de picossegundos a 32, 56 e 112 Gbps.

Isso também leva as tolerâncias de jitter a níveis extremamente baixos, o que requer estabilidade de energia suficiente para garantir que o ripple do barramento de energia não se propague para a saída de um CI com alto consumo de energia. É comum ver ~1 ps/mV de jitter sendo induzido em CIs acionados devido ao ripple em uma PDN. É aqui que a impedância da sua PDN precisa alcançar níveis de milliOhm ou menos para diminuir o ripple em uma PDN para tão baixo quanto ~2% para dispositivos de 1,2 V, o que equivale a uma flutuação de tensão de pico a pico de ~30 mV. Você precisará reduzir o jitter para o nível de ~1 ps ou menos, o que se torna apropriado para PCBs que usam sinalização multinível.

Em tais níveis de sinal baixos, aumentar a taxa de dados requer trabalhar com densidade de largura de banda mais alta, roteando mais canais em paralelo. Em equipamentos de rede, isso continuará usando sinalização diferencial para interfacear com mais canais multiplexados Tx e Rx paralelos em equipamentos de rede de fibra óptica ultra-rápidos. Ópticas estão sendo montadas diretamente na PCB e interagindo com chips do sistema usando fotodiodos rápidos e VCSELs de maior largura de banda.

Montagem óptica na placa para interface com um controlador de sistema em um backplane.

Como os designers podem continuar aumentando as taxas de dados para atender às demandas em equipamentos de rede mais novos e outras aplicações avançadas? Caso você não esteja vendo para onde isso está indo, começaremos a ver uma convergência entre óptica e eletrônica no nível da PCB, que acabará alcançando o nível do CI. Os principais fabricantes de CI já estão se unindo para desenvolver uma cadeia de suprimentos para CIs fotônicos de silício e para desenvolver algum nível de padronização para esses novos produtos. Isso ajudará a aliviar muitos dos desafios de integridade de sinal e relaxar algumas restrições de design para a comunidade de PCB, mas também forçará os designers a repensar a maneira como criam produtos avançados.

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