In parole povere, quando il tempo di salita/discesa di un segnale digitale è sufficientemente breve da far sì che le caratteristiche fisiche delle tracce del PCB, quali impedenza, ritardo ed effetti parassiti, inizino ad esercitare un impatto significativo sulla qualità del segnale, il circuito stampato rientra nella categoria dei PCB ad alta velocità.
L'importanza dei PCB ad alta velocità
Nell'era digitale ad alta velocità di oggi, dagli smartphone ai server dei data center, i colli di bottiglia delle prestazioni dei dispositivi dipendono sempre più dalla capacità dei loro PCB interni di trasmettere ed elaborare segnali ad alta velocità.È importante notare che il termine “alta velocità” non è definito solo da un valore di frequenza specifico, ma è strettamente correlato alla velocità di variazione dei fronti del segnale e alla lunghezza del percorso di trasmissione. Pertanto, l'obiettivo principale della progettazione di PCB ad alta velocità si è spostato dal tradizionale focus sulla garanzia della “connettività elettrica” al compito più critico di mantenere l'“integrità del segnale”.
Che cos'è la progettazione di circuiti stampati ad alta velocità?
La progettazione di PCB ad alta velocità è un approccio ingegneristico sistematico incentrato sull'analisi e il controllo dei vari problemi che i segnali possono incontrare durante la trasmissione.Nei circuiti a bassa frequenza, i conduttori possono essere approssimati come “linee corte” ideali, dove i segnali vengono trasmessi quasi istantaneamente. Tuttavia, in scenari ad alta velocità, le tracce dei PCB non sono più semplici connessioni elettriche, ma devono essere modellate e analizzate come linee di trasmissione. Se l'impedenza caratteristica delle linee di trasmissione non è adeguata, può verificarsi un fenomeno di riflessione del segnale, ringing o overshoot, che porta a errori nei dati o persino a guasti del sistema.
Pertanto, l'obiettivo della progettazione di PCB ad alta velocità va oltre il semplice “collegamento dei punti giusti”. Richiede una considerazione completa di fattori quali gli effetti dei campi elettromagnetici, il controllo dell'impedenza, il crosstalk, la temporizzazione e l'integrità dell'alimentazione durante la fase di progettazione front-end. Ciò garantisce la qualità del segnale durante l'intero processo di trasmissione dal trasmettitore al ricevitore.
10 consigli pratici per la progettazione di PCB ad alta velocità
Collaborazione precoce con i produttori
Collabora con il tuo produttore di PCB ad alta velocità (come TOPFAST) durante la fase iniziale di progettazione del layout per discutere le proposte di stack-up e le capacità di controllo dell'impedenza, assicurando che il progetto sia in linea con le specifiche di processo.
Definire una strategia di stack-up chiara
Dedicare piani specifici nello stack-up per gli strati di alimentazione, massa e segnali critici, al fine di garantire un'impedenza stabile e un efficace isolamento dal rumore.
Progettazione basata sulla simulazione
Eseguire simulazioni di integrità del segnale (SI) e integrità dell'alimentazione (PI) sia prima che dopo il layout per identificare e mitigare in modo proattivo potenziali problemi.
Rigorosa aderenza ai calcoli di impedenza
Calcolare con precisione e ottenere la larghezza e la spaziatura delle tracce richieste per l'impedenza target, basandosi rigorosamente sui parametri dei materiali (ad esempio, spessore dielettrico, Dk) forniti dal produttore.
Garantire piani di riferimento ininterrotti
Le tracce dei segnali critici ad alta velocità devono avere un piano di riferimento solido (terra o alimentazione) al di sotto di esse; evitare di attraversare le divisioni nel piano di riferimento per mantenere un percorso di ritorno chiaro.
Ottimizzazione del routing delle coppie differenziali
Mantenere larghezza, spaziatura e parallelismo costanti per le coppie differenziali e controllare rigorosamente la corrispondenza della lunghezza all'interno della coppia per garantire l'immunità al rumore e la qualità del segnale.
Posizionare i condensatori di disaccoppiamento vicino ai pin
Posizionare i condensatori di disaccoppiamento il più vicino possibile ai pin di alimentazione dei circuiti integrati per ridurre al minimo l'induttanza del circuito e garantire un filtraggio efficace dei disturbi ad alta frequenza.
Evitare curve ad angolo acuto
Utilizzare angoli di 135 gradi o tracce ad arco per tutte le curve delle tracce di segnale al fine di ridurre al minimo le discontinuità di impedenza e i riflessi del segnale.
Gestione dei percorsi di ritorno del segnale
Considerare e controllare sempre il percorso della corrente di ritorno dei segnali ad alta velocità, assicurandosi che rimanga a bassa impedenza, il che è fondamentale per mantenere l'integrità del segnale.
Dare priorità ai via di terra vicino alle transizioni di strato
Posizionare i via di massa adiacenti ai via di segnale quando i segnali ad alta velocità cambiano strato, in modo da fornire il percorso di ritorno più breve, continuo e a bassa impedenza.
Perché i circuiti ad alta velocità richiedono PCB multistrato?
- Percorso di ritorno del segnale stabile: Un solido piano di massa fornisce un percorso di ritorno diretto e continuo per i segnali ad alta velocità, prevenendo loop di corrente irregolari e riducendo al minimo le interferenze elettromagnetiche alla fonte.
- Isolamento acustico efficace: Gli strati dedicati all'alimentazione e alla messa a terra proteggono gli strati sensibili dei segnali ad alta velocità inseriti tra di essi, impedendo l'interferenza.
- Impedenza caratteristica controllata: Il design preciso dello stack-up consente il calcolo e il controllo dell'impedenza delle tracce, fondamentale per ridurre al minimo i riflessi del segnale e impossibile da ottenere con le schede a doppia faccia.
- Distribuzione di potenza superiore: Un piano di alimentazione solido fornisce un percorso a bassa impedenza per fornire energia pulita ai chip, migliorando l'integrità dell'alimentazione e prevenendo le fluttuazioni di tensione.
Pratiche di routing PCB ad alta velocità
1. Principio di priorità del layout
Durante la fase di layout, attenersi alla strategia “prima le parti critiche, poi quelle generali”. Dare priorità al posizionamento dei componenti ad alta velocità (come CPU, memoria, interfacce SerDes, ecc.) e ridurre al minimo le distanze di interconnessione tra loro per ridurre il ritardo e la perdita del percorso del segnale.
2. Controllo dell'impedenza
Il controllo dell'impedenza è la pietra angolare della progettazione di PCB ad alta velocità. Sia per le schede rigide che per i circuiti flessibili ad alta velocità, è necessario applicare calcoli di simulazione precisi e un controllo di processo per garantire un'impedenza costante lungo le tracce critiche, evitando così i riflessi del segnale causati da una mancata corrispondenza dell'impedenza.
3. Corrispondenza della lunghezza
Per i bus paralleli (ad esempio DDR) o i segnali differenziali, l'adattamento della lunghezza delle tracce pertinenti è essenziale per soddisfare i rigorosi requisiti di temporizzazione. Una pratica comune consiste nell'utilizzare un instradamento a serpentina per compensare i percorsi più brevi, garantendo che i segnali arrivino in modo sincrono all'estremità ricevente.
4. Regola delle 3W
Per sopprimere il crosstalk tra tracce adiacenti, si raccomanda di seguire la “regola delle 3W”: la distanza centro-centro tra tracce adiacenti deve essere almeno tre volte la larghezza di una singola traccia. Ciò riduce efficacemente l'accoppiamento del campo elettrico e migliora l'integrità del segnale.
5. Ottimizzazione tramite
I via introducono capacità e induttanza parassite, causando discontinuità di impedenza e degrado della qualità del segnale. Nei progetti ad alta velocità, l'uso dei via dovrebbe essere ridotto al minimo. Quando necessario, ottimizzare parametri quali la dimensione del foro, il diametro del pad e la struttura anti-pad per controllare gli effetti parassiti.
Domande frequenti sulla progettazione di circuiti stampati ad alta velocità
D: Cosa definisce un design “ad alta velocità”?
A: È determinato dal tempo di salita del segnale rispetto alla lunghezza della traccia. Se la lunghezza della traccia supera 1/12 della lunghezza d'onda effettiva del segnale (ad esempio, >5 cm per un tempo di salita di 1 ns), gli effetti della linea di trasmissione diventano critici. Le velocità di salita rapide sono più importanti della frequenza di clock.
D: Un PCB a 4 strati è adatto per la progettazione ad alta velocità?
A: Sì. Una struttura standard a 4 strati fornisce piani di massa/alimentazione essenziali per il controllo dell'impedenza e i percorsi di ritorno. Adatta alla maggior parte dei sistemi integrati (ARM/FPGA), ma le interfacce multi-Gbps (PCIe/SATA) richiedono più strati per un migliore isolamento.
D: In che modo i segnali differenziali eliminano il rumore?
A: Le coppie differenziali trasmettono segnali invertiti. Il rumore di modo comune accoppiato a entrambe le linee viene annullato quando il ricevitore calcola la loro differenza. I loro campi opposti riducono anche le radiazioni elettromagnetiche.
D: Perché coinvolgere i produttori sin dalle prime fasi?
A: I materiali di fabbricazione (costante dielettrica, peso del rame) influiscono direttamente sulla precisione dell'impedenza. Una collaborazione tempestiva garantisce che il vostro progetto sia in linea con le capacità del produttore, evitando costose riprogettazioni e ritardi.
Il successo dei progetti ad alta velocità dipende in ultima analisi dalla produzione ad alta precisione. In qualità di produttore professionale di PCB ad alta velocità con 17 anni di esperienza, Topfast garantisce che le vostre intenzioni progettuali siano accuratamente tradotte in realtà fisica attraverso un controllo stabile della costante dielettrica e il rigoroso rispetto della larghezza/spaziatura delle linee e dell'allineamento tra gli strati. Forniamo inoltre rapporti di test di impedenza professionali per convalidare in modo affidabile le prestazioni dei prodotti.