Руководство по маршрутизации высокоскоростных сигналов для продвинутых печатных плат

Вы можете создать эту усовершенствованную плату, следуя этим рекомендациям по высокоскоростной трассировке усовершенствованных печатных плат.

Новые разработки продолжают ускоряться, с PCIe 5.0, достигающим 32 Гб/с, и PAM4, который толкает целостность сигнала и скорости до предела. Правильное проектирование соединений должно учитывать меньшие запасы шума передовых устройств, безупречные требования к стабильности питания и многое другое, чтобы гарантировать правильный прием сигналов.

С передовыми устройствами, работающими на более низких уровнях сигнала, рекомендации по высокоскоростной маршрутизации сосредоточены на предотвращении потери сигнала, искажения и отражений от несоответствия импеданса на протяжении соединений. С ультрабыстрой передачей сигналов, особенно при использовании многоуровневой передачи сигналов, вам нужно будет серьезно рассмотреть все представленные здесь рекомендации по высокоскоростному проектированию и начать их применять.

Важные рекомендации по высокоскоростной маршрутизации

С высокими скоростями, достигающими субнаносекундного режима, особенно в новых поколениях PCIe, и для поддержки оборудования высокоскоростных сетей, любой разработчик должен иметь в виду некоторые основные рекомендации по маршрутизации печатных плат высокой скорости. С новыми устройствами, продолжающими преодолевать скоростной барьер, скорее всего, вам придется учитывать все эти рекомендации, а не выбирать несколько, чтобы удовлетворить требования вашего приложения.

Стек слоев для маршрутизации с контролируемым импедансом и целостностью питания

Ваш стек слоев так же важен для целостности сигнала, как и для энергетической целостности. Подобно тому, как полосы пропускания сигналов расширяются далее в десятки ГГц, особенно при использовании многоуровневых схем модуляции (возьмем, к примеру, PAM4 для сетевых решений 400G), вам потребуется контролировать импеданс ваших соединений для обеспечения правильного завершения и согласования. Вам также нужно будет правильно подобрать размер вашего следа, чтобы попытаться минимизировать звон (т.е. критически затушить переходный процесс), сохраняя при этом постоянный импеданс. Это требует тщательной инженерии стека слоев и дизайна соединений.

Маршрутизация и Согласование Длины Дифференциальных Пар

Поскольку общий режим помех является серьезной проблемой для целостности сигнала, вам нужно будет обеспечить достаточную связь на протяжении всей длины дифференциальных пар как часть маршрутизации с контролируемым импедансом. Это также требует согласования фаз по длине дифференциальной пары. Связанная область должна простирается прямо к приемнику, где это возможно, в то время как любая несвязанная область должна быть согласована по длине и ограничена драйвером в вашем соединении. Это обеспечивает, что любой общий режим помех будет восприниматься как находящийся в идеальной фазе и, таким образом, полностью подавлен на приемнике.

Выбор Подходящего Материала Подложки

С увеличением скорости нарастания сигнала возникает необходимость в поиске материалов для подложки с низким тангенсом угла потерь и плоской дисперсией. Дисперсия здесь очень важна, поскольку она создает непрерывное изменение импеданса и постоянной распространения вдоль всей длины межсоединения. Во-первых, дисперсия вызывает распространение электромагнитных импульсов (т.е. цифровых сигналов), которые распространяются и растягиваются. Во-вторых, импеданс, наблюдаемый на переднем фронте сигнала, не будет совпадать с импедансом на заднем фронте сигнала в присутствии сильной дисперсии, что приводит к сильному искажению. Вы должны убедиться, что диэлектрическая проницаемость остается постоянной в соответствующей полосе пропускания, которая легко охватывает 30 ГГц в PAM4 при 12 Гбит/с.

Короткие трассы и обратное сверление

Трассы следует прокладывать как можно короче, чтобы минимизировать потери мощности. В случае, когда дисперсия является проблемой, это помогает минимизировать искажение импульсов, поскольку импульсы растягиваются из-за дисперсии. Также следует минимизировать количество переходных отверстий (виас) на трассах, поскольку они могут создавать разрыв импеданса, если не спроектированы с точным соблюдением импеданса. Любые присутствующие на межсоединении переходные отверстия должны быть обработаны методом обратного сверления, поскольку любой оставшийся кусочек переходного отверстия представляет собой еще один разрыв импеданса, таким образом, они представляют еще одну возможность для отражения сигнала. Эти остатки также могут резонировать на высоких скоростях/частотах, что означает, что они будут действовать как антенны, вносящие шум в близлежащие межсоединения.

Изменение характеристического импеданса микрополосковой линии в зависимости от частоты. Благодарность Юрию Шлепневу из Simberian за создание этого рисунка.

Высокая скорость против высокой скорости передачи данных: Многоуровневое кодирование и оптоволокно

При использовании простых сигналов с модуляцией OOK или NRZ, фактически имеются два уровня сигнала, определяющих ваши бинарные состояния ВКЛ/ВЫКЛ. По сути, ваша скорость передачи данных ограничена временем нарастания/спада сигналов, предоставляемых драйвером на дифференциальной взаимосвязи. Переход к более высоким скоростям передачи данных привел к тому, что время нарастания и спада достигло предела, в конечном итоге достигнув уровня пикосекунд на скоростях 32, 56 и 112 Гбит/с.

Это также снижает допустимые уровни джиттера до крайне низких значений, что требует достаточной стабильности питания для обеспечения того, чтобы пульсации шины питания не передавались на выход из ИС с высоким потреблением энергии. Распространено явление, когда из-за пульсаций на PDN в управляемых ИС индуцируется джиттер порядка ~1 пс/мВ. Вот где ваше сопротивление PDN должно достигать уровней миллиом или меньше, чтобы уменьшить пульсации на PDN до таких низких значений, как ~2% для устройств на 1,2 В, что соответствует колебаниям напряжения от пика к пику порядка ~30 мВ. Вам нужно будет снизить джиттер до уровня ~1 пс или меньше, что становится подходящим для печатных плат, использующих многоуровневую сигнализацию.

На таких низких уровнях сигнала увеличение скорости передачи данных требует работы с более высокой плотностью полосы пропускания за счет маршрутизации большего количества каналов параллельно. В сетевом оборудовании это будет продолжаться с использованием дифференциальной сигнализации для интерфейса с большим количеством параллельных каналов Tx и Rx, мультиплексированных в ультрабыстром оптоволоконном сетевом оборудовании. Оптика монтируется непосредственно на печатную плату и взаимодействует с системными микросхемами с использованием быстрых фотодиодов и VCSEL с более высокой полосой пропускания.

Оптическая сборка для монтажа на плате для интерфейса с системным контроллером на задней панели.

Как разработчики могут продолжать повышать скорость передачи данных, чтобы удовлетворить требования нового сетевого оборудования и других передовых приложений? Если вы еще не поняли, к чему это клонит, мы начнем видеть сближение оптики и электроники на уровне печатных плат, которое в конечном итоге достигнет уровня интегральных схем. Крупнейшие производители интегральных схем уже объединяются для разработки цепочки поставок для фотонных интегральных схем на кремнии и для разработки некоторого уровня стандартизации для этих новых продуктов. Это поможет снять многие проблемы с целостностью сигнала и смягчить некоторые ограничения для сообщества разработчиков печатных плат, но также заставит разработчиков переосмыслить способы создания передовых продуктов.

Обширный набор инструментов для трассировки в Altium Designer^® идеально подходит для определения и реализации представленных здесь рекомендаций по трассировке высокоскоростных печатных плат и многого другого. Вы можете определить важные рекомендации по высокоскоростной трассировке в виде правил проектирования и исследовать целостность сигнала с помощью мощных инструментов моделирования. Эти инструменты интегрированы в единую платформу, что позволяет быстро включить их в ваш рабочий процесс.

Свяжитесь с нами или загрузите бесплатную версию, если вы хотите узнать больше об Altium Designer. Вы получите доступ к лучшим в отрасли инструментам для разработки плат, моделирования и управления данными в единой программе. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.

Начните путь к переходу на Altium Designer уже сегодня.