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Con il rapido sviluppo dei sistemi digitali, la perdita della linea di trasmissione, che in precedenza era considerata insignificante, sta diventando ora la preoccupazione principale della progettazione PCB. Quando la frequenza di clock è superiore a 1GHz, l'influenza della perdita di trasmissione dipendente dalla frequenza si è effettivamente verificata, in particolare l'interfaccia ad alta velocità SerDes, il segnale ha un tempo di aumento molto veloce e il segnale digitale può trasportare più energia ad alta frequenza rispetto alla sua frequenza di ripetizione. Questi componenti energetici ad alta frequenza sono utilizzati per costruire segnali digitali ideali a rapida conversione. Gli autobus seriali ad alta velocità di oggi hanno spesso una grande quantità di concentrazione di energia sulla quinta armonica della frequenza di clock.
Esistono molte applicazioni digitali ad alta velocità, con velocità di 10 Gbit/s o superiore. Queste applicazioni utilizzano una frequenza fondamentale di 5 GHz e armoniche di 15 GHz, 25 GHz, ecc In questa gamma di frequenze, i materiali PCB più comuni hanno differenze molto significative nella perdita dielettrica (Df) e causano gravi problemi di integrità del segnale. Questo è uno dei motivi per cui i PCB digitali ad alta velocità utilizzano piastre speciali progettate per applicazioni ad alta frequenza. La formulazione di questi materiali ha un basso fattore di perdita e ha variazioni minime su un ampio intervallo di frequenza. Queste piastre erano spesso utilizzate in applicazioni RF ad alta frequenza in passato e sono ancora oggi utilizzate in applicazioni a 77 GHz e superiori. Oltre al miglioramento dei fattori di perdita dielettrica, queste piastre sono anche dotate di controllo rigoroso dello spessore e controllo Dk, che è meglio garantire l'integrità del segnale.
Al Taipei Computer Show 2019, AMD ha rilasciato il processore Ryzen Ryzen di terza generazione. Oltre alle prestazioni della CPU da 7 nanometri AMD, ha iniziato a sopprimere Intel. Il chipset X570 supporta anche PCIe 4.0. Anche gli SSD NVMe PCIe 4.0 hanno iniziato ad essere introdotti sul mercato, e si prevede che la specifica PCIe 5.0 sarà rilasciata due anni dopo.
La velocità dei dati di PCIe 5.0 raggiungerà un terrificante 32GT/s, che aggrava la perdita di inserimento legata alla frequenza. Il materiale PCB selezionato avrà un impatto enorme sulla perdita di inserzione di ogni area.
Se l'impatto della scheda sul segnale ad alta velocità non viene considerato durante la progettazione del PCB, il vecchio driver capovolgerà anche l'auto!
Quando si sceglie una scheda PCB, è necessario trovare un equilibrio tra soddisfare i requisiti di progettazione PCB, produzione in serie e costo. In poche parole, i requisiti di progettazione includono affidabilità elettrica e strutturale. Di solito il problema della scheda è più importante quando si progettano schede PCB ad alta velocità (frequenza maggiore di GHz). Ad esempio, il materiale FR-4 comunemente usato ha una grande perdita dielettrica Df (Dielettricloss) ad una frequenza di diversi GHz, che potrebbe non essere applicabile.
La velocità operativa dei circuiti digitali ad alta velocità è il fattore principale considerato nella selezione PCB. Maggiore è la velocità del circuito, minore è il valore Df del PCB selezionato. I circuiti stampati con perdita media e bassa saranno adatti per circuiti digitali 10Gb/s; schede con perdita inferiore sono adatte per circuiti digitali 25Gb/s; Le schede con perdita ultra-bassa saranno adatte per circuiti digitali ad alta velocità più veloci e la velocità può essere di 50 Gb/s o superiore.
Dal materiale Df:
Df tra 0.01ï½0.005 circuito adatto al limite superiore del circuito digitale 10Gb/S;
Df è compreso tra 0.005ï½0.003, il limite superiore adatto del circuito stampato è 25Gb / S circuito digitale;
Il circuito con Df non superiore a 0,0015 è adatto per circuiti digitali 50Gb/S o anche ad alta velocità.
Per i PCB ad alta velocità, è necessario considerare se la selezione del materiale e la progettazione soddisfano i requisiti di integrità del segnale durante la progettazione, che richiede di ridurre al minimo la perdita di trasmissione del segnale.
La perdita di trasmissione PCB è composta principalmente da perdita dielettrica, perdita del conduttore e perdita di radiazione.
Quando il segnale ad alta frequenza viene trasmesso dal driver al ricevitore sul PCB lungo una lunga linea di trasmissione, il fattore di perdita del materiale dielettrico ha una grande influenza sul segnale. Un maggiore fattore di dissipazione significa un maggiore assorbimento dielettrico. I materiali con maggiori fattori di perdita influenzeranno i segnali ad alta frequenza sulle lunghe linee di trasmissione. L'assorbimento dielettrico aumenta l'attenuazione ad alta frequenza.
Il materiale dielettrico più comunemente usato per PCB è FR-4, che utilizza un laminato di vetro resina epossidica, che può soddisfare i requisiti di una varietà di condizioni di processo. L'εr di FR-4 è compreso tra 4,1 e 4,5. GETEK è un altro materiale che può essere utilizzato per circuiti stampati ad alta velocità. GETEK è composto da resina epossidica (etere polifenilene) con εr tra 3,6 e 4,2.
Perdita del conduttore
Il flusso di carica attraverso il materiale causa la perdita di energia. La perdita del conduttore della linea esterna del microstrip e della linea interna della striscia può essere suddivisa in due parti: DC e AC perdita. La corrente continua qui menzionata è un circuito inferiore a 1MHz. Sebbene la perdita di CC non sia generalmente adatta per la progettazione di circuiti ad alta velocità, il calo di resistenza invaderà il livello logico e la tolleranza al rumore dei sistemi multipunto (come il cablaggio SODIMM DDR3/4 del bus di controllo indirizzi e comandi). Tuttavia, la memoria di bordo di solito ha una lunghezza del cavo di segnale inferiore a 3 pollici. Per questo motivo, questo problema non è evidenziato.
Per un tipico circuito lungo 5 mil di larghezza, 1,4 mil di spessore (1oz rame), 1 pollice, la resistenza del percorso del segnale è di solito 0,1 ohm / pollice quando viene applicata l'alimentazione CC. La resistività di massa del rame e della maggior parte degli altri metalli è costante fino a quando la frequenza si avvicina a 100 GHz. In ogni caso, è l'effetto pelle che innesca la dipendenza di frequenza del conduttore.
La corrente alternata ha perdita resistiva o induttiva del conduttore a causa della sua dipendenza di frequenza. Alle basse frequenze, alcuni progettisti di PCB pensano che la resistenza e l'induttanza siano le stesse della corrente continua, ma man mano che la frequenza aumenta, la distribuzione della corrente trasversale sulla linea di trasmissione e la superficie di riferimento diventa irregolare e si sposta all'esterno del conduttore. A causa dell'effetto cutaneo, la corrente è costretta ad entrare nella superficie esterna del rame, il che aumenta notevolmente la perdita. La ridistribuzione della corrente aumenta la resistenza e diminuisce l'induttanza della bobina per unità di lunghezza. Man mano che la frequenza aumenta a più di 1GHz, la resistenza continua ad aumentare e l'induttanza della bobina raggiunge un valore limite e diventa un'induttanza esterna. Maggiore è la frequenza, maggiore è la tendenza della corrente a fluire sulla superficie esterna del conduttore. La resistenza AC rimarrà approssimativamente uguale alla resistenza DC fino a quando la frequenza sale ad un certo punto, cioè quando la profondità della pelle è inferiore allo spessore del conduttore.
