Richtlinien für High-Speed-Routing von fortschrittlichen Leiterplatten
Neuere Designs werden immer schneller. PCIe 5.0 erreicht 32 Gb/s und PAM4 treibt die Signalintegrität und Signalgeschwindigkeit bis an die Grenze. Das richtige Verbindungsdesign muss die geringeren Rauschmargen fortschrittlicher Geräte, die tadellosen Anforderungen an die Stromversorgungsstabilität und vieles mehr berücksichtigen, um sicherzustellen, dass Signale richtig empfangen werden können.
Bei fortschrittlichen Geräten, die mit niedrigeren Signalpegeln betrieben werden, konzentrieren sich die Richtlinien für das High-Speed-Routing darauf, Signalverluste, Verzerrungen und Reflexionen durch Impedanzdiskontinuitäten in den Verbindungen zu verhindern. Bei der ultraschnellen Signalübertragung, insbesondere beim Einsatz von mehrstufiger Signalübertragung, müssen Sie alle hier vorgestellten Richtlinien für das High-Speed-Design ernsthaft in Betracht ziehen und in die Praxis umsetzen.
Wichtige Richtlinien für das High-Speed-Routing
Da hohe Geschwindigkeiten bis weit in den Sub-Nanosekundenbereich reichen, insbesondere bei neueren PCIe-Generationen, und um High-Speed-Netzwerkgeräte zu unterstützen, sollte jeder Designer einige grundlegende Richtlinien für das High-Speed-Routing von Leiterplatten beachten. Angesichts der Tatsache, dass neuere Geräte weiterhin die Geschwindigkeitsbegrenzung überschreiten, müssen Sie ziemlich sicher alle diese Richtlinien berücksichtigen anstatt nur einige wenige auszuwählen, die Ihre Anwendung erfüllen.
Lagenaufbau für Routing mit kontrollierter Impedanz und Stromversorgungsintegrität
Der Lagenaufbau ist für die Signalintegrität ebenso wichtig wie für die Stromversorgungsintegrität. Da sich die Signalbandbreiten zunehmend in den 10er-GHz-Bereich erstrecken, insbesondere bei mehrstufigen Signalübertragungsschemata (zum Beispiel PAM4 für 400G-Netzwerke), müssen Sie die Impedanz Ihrer Verbindungen steuern, um eine ordnungsgemäße Terminierung und Anpassung zu gewährleisten. Zudem müssen Sie Ihre Leiterbahn richtig dimensionieren, um das Schwingen zu minimieren (d. h. das Einschwingverhalten bedeutend zu dämpfen) und gleichzeitig die Impedanz konstant zu halten. Dies erfordert sorgfältige Lagenaufbauentwicklung und akribisches Verbindungsdesign.
Differentialpaar-Routing und Längenabstimmung
Da Gleichtaktstörungen ein bedeutendes Problem bei der Signalintegrität darstellen, müssen Sie als Teil des impedanzgesteuerten Routing eine ausreichende Kopplung über die Länge der Differentialpaare sicherstellen. Dies erfordert auch eine Phasenanpassung über die Länge eines Differentialpaares. Der gekoppelte Bereich sollte nach Möglichkeit direkt bis zum Empfänger reichen, während die Länge des entkoppelten Bereichs dem Treiber in der Verbindung angepasst und auf diesen beschränkt sein sollte. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Gleichtaktstörungen als vollkommen phasengleich gelten und somit am Empfänger vollständig unterdrückt werden.
Wählen Sie das richtige Substratmaterial aus
Mit schnelleren Anstiegszeiten wächst der Bedarf an Substratmaterialien mit geringerer Verlusttangente und flacher Dispersion. Die Dispersion ist hier sehr wichtig, da sie eine kontinuierliche Änderung der Impedanz und der Ausbreitungskonstante entlang der Länge einer Verbindung bewirkt. Zunächst verursacht die Dispersion elektromagnetische Impulse (d. h. digitale Signale), die sich während ihrer Ausbreitung verteilen. Zweitens stimmt die Impedanz an der steigenden Flanke des Signals nicht mit der Impedanz an der abfallenden Flanke des Signals überein, wenn eine starke Dispersion vorhanden ist. Dies führt zu einer starken Verzerrung. Sie sollten sicherstellen, dass die Dielektrizitätskonstante bei der entsprechenden Bandbreite (die in PAM4 bei 12 Gbit/s leicht über 30 GHz reicht), flach ist.
Kurze Leiterbahnen und Backdrilling
Leiterbahnen sollten so kurz wie möglich geroutet werden, damit der Leistungsverlust gering ist. Falls die Dispersion ein Problem darstellt, hilft dies, die Impulsverzerrung zu minimieren, da sich die Impulse aufgrund der Dispersion dehnen. Vias auf Leiterbahnen sollten ebenfalls minimiert werden, da sie eine Impedanzdiskontinuität erzeugen können, wenn sie nicht für eine hohe Impedanz entwickelt wurden. Alle auf einer Verbindung vorhandenen Vias sollten rückgebohrt werden, da alle verbleibenden Via-Teilchen eine weitere Impedanzdiskontinuität bewirken könnten und somit eine zusätzliche Möglichkeit der Signalreflexion darstellen. Diese Teilchen können auch bei hohen Geschwindigkeiten/Frequenzen mitschwingen, d. h. sie fungieren als Antennen, die Rauschen in nahe gelegene Verbindungen einkoppeln.
Hohe Geschwindigkeit vs. hohe Datenrate: Mehrstufige Signalübertragung und Glasfaser
Mit einfachen OOK- oder NRZ-modulierten Signalen haben Sie effektiv zwei Signalpegel, welche die binären EIN/AUS-Zustände definieren. Tatsächlich ist die Datenrate durch die Anstiegs-/Abfallzeit von Signalen, die vom Treiber auf einer differentiellen Verbindung geliefert werden, begrenzt. Der Übergang zu höheren Datenraten hat die Anstiegs- und Abfallzeiten an die Grenze des Möglichen getrieben, so dass sie schließlich mit 32, 56 und 112 Gbit/s im Pikosekundenbereich liegen.
Dies treibt auch die Jitter-Toleranzen auf ein extrem niedriges Niveau, was eine ausreichende Leistungsstabilität erfordert, um sicherzustellen, dass sich die Welligkeit des Strombus nicht auf die Ausgabe eines integrierten Schaltkreises (IC) mit hoher Leistungsaufnahme ausbreitet. Es kommt häufig vor, dass in angetriebenen ICs aufgrund der Welligkeit auf einem PDN ein Jitter von ~100 ps/mV induziert wird. An dieser Stelle muss die PDN-Impedanz das Sub-MilliOhm-Niveau erreichen, um die Welligkeit auf einem PDN auf bis zu ~2 % für 1,2-V-Geräte zu verringern, was einer Spannungsschwankung von ~30 mV Spitze-Spitze entspricht. Sie müssen den Jitter auf ein Niveau von ~1 ps oder weniger reduzieren, was für Leiterplatten mit mehrstufiger Signalübertragung geeignet ist.
Bei solch niedrigen Signalpegeln erfordert die Erhöhung der Datenrate das Arbeiten mit höherer Bandbreitendichte, indem mehr Kanäle parallel geroutet werden. In der Netzwerkausrüstung wird weiterhin die differentielle Signalübertragung als Schnittstelle mit mehr parallelen Tx- und Rx-Multiplex-Kanälen in ultraschnellen Glasfaseroptik-Netzwerkgeräten verwendet. Die Optik wird direkt auf die Leiterplatte montiert und über schnelle Fotodioden und VCSELs mit höherer Bandbreite mit Systemchips verbunden.
Wie können Designer die Datenraten weiter erhöhen, um die Anforderungen neuerer Netzwerkgeräte und anderer fortschrittlicher Anwendungen zu erfüllen? Falls Sie nicht sicher sind, wohin dies führt – wir sehen hier eine Konvergenz zwischen Optik und Elektronik auf dem PCB-Niveau, die letztlich die IC-Ebene erreichen wird. Die großen IC-Hersteller arbeiten bereits zusammen, um eine Lieferkette für Silizium-Photonen-ICs und ein gewisses Maß an Standardisierung für diese neuen Produkte zu entwickeln. Dies wird dazu beitragen, viele der Herausforderungen in Bezug auf die Signalintegrität zu mildern und einige Designbeschränkungen für die PCB-Gemeinschaft zu lockern. Es wird die Designer jedoch auch zwingen, die Art und Weise, wie sie fortschrittliche Produkte entwickeln, zu überdenken.
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