Conception électronique - Conception PCB haute vitesse: le bon choix pour les cartes PCB

Avec le développement rapide des systèmes numériques, la perte de ligne de transmission, qui était auparavant considérée comme insignifiante, devient maintenant un problème majeur dans la conception de PCB. Lorsque la fréquence d'horloge est supérieure à 1 GHz, l'effet des pertes de transmission liées à la fréquence s'est en fait déjà produit, en particulier avec l'interface Serdes haute vitesse, où le temps de montée du signal est très rapide et où le signal numérique peut transporter plus d'énergie haute fréquence que sa propre fréquence de répétition. Ces composantes énergétiques hautes fréquences sont utilisées pour construire le signal numérique idéal à conversion rapide. Les bus série à grande vitesse d'aujourd'hui ont généralement beaucoup d'énergie concentrée sur les 5 harmoniques de la cadence d'horloge.

Il existe de nombreuses applications numériques haute vitesse avec des vitesses de 10 Gbit / s ou plus. Ces applications utilisent une fréquence fondamentale de 5 GHz et des harmoniques de 15 GHz, 25 GHz, etc. dans cette gamme de fréquences, la plupart des matériaux PCB courants présentent des différences très significatives en termes de pertes diélectriques (DF) et entraînent de graves problèmes d'intégrité du signal. C'est également l'une des raisons pour lesquelles les cartes de circuits imprimés numériques haute vitesse utilisent des cartes spéciales spécialement conçues pour les applications à haute fréquence. La formulation de ces matériaux présente un faible facteur de perte et une variation minimale sur une large gamme de fréquences. Ces plaques ont été fréquemment utilisées dans le passé pour des applications RF à haute fréquence et sont même utilisées aujourd'hui pour des applications à 77 GHz et plus. En plus d'améliorer le facteur de perte diélectrique, ces plaques sont équipées d'un contrôle strict de l'épaisseur et d'un contrôle DK qui garantissent mieux l'intégrité du signal.

Lors du Taipei Computer show 2019, AMD a dévoilé la troisième génération de processeurs ryzen ryzen. En plus des performances du processeur AMD de 7 nm, il a commencé à écraser Intel. Son chipset x570 pris en charge introduit également la prise en charge de pcie 4.0. Les SSD nvme pcie 4.0 ont également commencé à être commercialisés et la spécification pcie 5.0 devrait être publiée dans deux ans.

Le débit de données du pcie 5.0 atteindra 32 GT / s, ce qui aggravera les pertes d'insertion liées à la fréquence. Le matériau de PCB choisi aura un impact énorme sur les pertes d'insertion dans chaque zone.

Si l'effet de la carte sur le signal à grande vitesse n'est pas pris en compte lors de la conception du PCB, le vieux conducteur se renversera également!

Lors du choix d'une carte PCB, il est nécessaire de trouver un équilibre entre la satisfaction des exigences de conception de PCB, la production de masse et le coût. En termes simples, les exigences de conception comprennent la fiabilité électrique et structurelle. Souvent, la question de la carte est encore plus importante lors de la conception de cartes PCB à très haute vitesse (fréquences supérieures à GHz). Par example, les matériaux fr - 4 couramment utilisés présentent des pertes diélectriques DF (pertes diélectriques) importantes à des fréquences de plusieurs GHz, ce qui peut ne pas être le cas.

La vitesse de fonctionnement des circuits numériques à grande vitesse est le principal facteur à prendre en compte lors du choix d'un PCB. Plus la vitesse du circuit est élevée, plus la valeur DF du PCB sélectionné est faible. Les cartes avec des pertes moyennes et faibles conviendront aux circuits numériques 10Gb / s; Les cartes à faibles pertes sont adaptées aux circuits numériques de 25 GB / s; Les cartes avec des pertes ultra - faibles conviendront à des circuits numériques à grande vitesse plus rapides et les débits peuvent être de 50 GB / s ou plus.

Selon le matériau DF:

Une carte de circuit dont le DF est compris entre 0,01 ï½ 0005, adaptée à la limite supérieure d'un circuit numérique de 10 Gb / s;

DF compris entre 0005 ï½ 0003, la limite supérieure appropriée pour la carte étant un circuit numérique de 25 GB / s;

Les cartes dont le DF ne dépasse pas 00015 conviennent aux circuits numériques à des vitesses de 50gb / s ou plus.

Pour les circuits imprimés haute vitesse, le choix des matériaux et la conformité de la conception aux exigences d'intégrité du signal doivent être pris en compte lors de la conception, ce qui nécessite de minimiser les pertes de transmission du signal.

Les pertes de transmission des PCB se composent principalement de pertes de médias, de pertes de conducteurs et de pertes de rayonnement.

Le facteur de perte du matériau diélectrique a une grande influence sur le signal lorsque le signal haute fréquence est transmis le long d'une longue ligne de transmission du pilote au récepteur sur le PCB. Un facteur de dissipation plus important signifie une absorption diélectrique plus élevée. Les matériaux avec un coefficient de perte plus élevé peuvent affecter les signaux à haute fréquence sur de longues lignes de transmission. L'absorption diélectrique augmente l'atténuation des hautes fréquences.

Le matériau diélectrique le plus couramment utilisé pour les PCB est le fr - 4, qui utilise un stratifié de verre époxy qui peut répondre aux exigences de diverses conditions de processus. Les îles de fr - 4 sont comprises entre 4,1 et 4,5. Getek est un autre matériau qui peut être utilisé pour les cartes de circuit imprimé à grande vitesse. Getek est constitué d'une résine époxy (Polyphénylène éther) d'indice de réfraction compris entre 3,6 et 4,2.

Perte de fil

Le flux de charges dans le matériau entraîne une perte d'énergie. Les pertes de conducteurs des lignes microruban externes et des lignes ruban internes peuvent être subdivisées en deux parties: les pertes en courant continu et les pertes en courant alternatif. Le courant continu mentionné ici est un circuit inférieur à 1 MHz. Bien que les pertes en courant continu ne conviennent généralement pas à la conception de circuits à grande vitesse, la chute de la résistance peut éroder le niveau logique et la tolérance au bruit des systèmes multipoint tels que les adresses sodimm DDR3 / 4 et le câblage du bus de commande. Cependant, la longueur du câble de signal de la mémoire embarquée est généralement inférieure à 3 pouces. La question n'a donc pas été soulignée.

Pour un circuit typique de 5 Mil de large, 1,4 mil d'épaisseur (1 once de cuivre) et 1 pouce de long, la résistance du chemin du signal est généralement de 0,1 ohm / pouce lorsqu'un courant continu est appliqué. La résistivité du cuivre et de la plupart des autres métaux est constante jusqu'à ce que la fréquence soit proche de 100 GHz. Dans tous les cas, c'est l'effet de chimiotaxie qui déclenche la dépendance en fréquence du conducteur.

Le courant alternatif a des pertes de conducteurs résistifs ou inductifs en raison de sa dépendance en fréquence. À basse fréquence, certains concepteurs de PCB pensent que la résistance et l'inductance sont les mêmes que celles du courant continu, mais à mesure que la fréquence augmente, la distribution du courant en section transversale sur les lignes de transmission et les surfaces de référence devient inégale et se déplace vers l'extérieur du conducteur. En raison de l'effet de chimiotaxie, le courant est forcé dans la surface extérieure du cuivre, ce qui augmente considérablement les pertes. La redistribution du courant augmente la résistance et diminue l'inductance de la bobine par unité de longueur. À mesure que la fréquence augmente au - dessus de 1 GHz, la résistance continue d'augmenter et l'inductance de la bobine atteint sa valeur limite, devenant une inductance externe. Plus la fréquence est élevée, plus le courant a tendance à circuler sur la surface extérieure du conducteur. La résistance alternative restera approximativement égale à la résistance continue jusqu'à ce que la fréquence monte à un certain point, c'est - à - dire lorsque la profondeur de la chimiotaxie est inférieure à l'épaisseur du conducteur.