PCB Tecnico - Applicazioni seriali ad alta velocità ottimizzando l'integrità del segnale dei vias

Alle basse frequenze, il foro via ha poco effetto. Ma nella connessione in serie ad alta velocità, il foro via rovinerà l'intero sistema.

In alcuni casi, a 3.125Gbps, possono utilizzare un'apertura bella e ampia. Trasformalo in un pilastro a 5 Gbps. Comprendere la causa principale della limitazione dei vias è il primo passo per ottimizzare il loro design e verificarli.

Questo articolo descriverà un semplice processo di modellazione e simulazione via-foro, da cui è possibile ottenere alcuni punti chiave per una progettazione ottimale.

Non è possibile progettare un'interconnessione che può funzionare a 2Gbps o superiore. Per raggiungere la velocità di trasferimento dei dati target, l'interconnessione deve essere ottimizzata. In molti casi, i vias possono diventare la fine del collegamento in serie ad alta velocità, a meno che i vias non siano ottimizzati per ridurre il loro impatto.

La causa principale del differenziale via problema proviene principalmente da tre aspetti, il 90% è il viastub, il 9% è dalle vie, e l'altro 1% è dalle vie di ritorno. Il cosiddetto processo via è quello di risolvere questi tre punti chiave.

Il primo passo è ridurre al minimo la lunghezza della radice passante. Come regola generale, la lunghezza della radice via, in mil, dovrebbe essere inferiore a 300 mil/BR, e Br è la velocità Gbps.

Il secondo passo è quello di rendere la parte penetrante del percorso del foro vicino all'impedenza della linea, che è solitamente di 100 ohm. La differenza di impedenza di vias differenti è solitamente inferiore a 100 ohm. Pertanto, se possibile, cercare di ridurre il diametro, aumentare la spaziatura, cancellare i fori, aumentare i fori passanti sullo strato e rimuovere tutti i pad inutili. Inoltre, l'impedenza della linea circostante può essere ridotta. Generalmente, anche una differenza di impedenza di 65 ohm comporterà una perdita di inserzione inferiore a -1 dB, figuriamoci un sistema di differenza di 15 GHz, 100 ohm.

Infine, posizionare vie di ritorno adiacenti vicino allo spazio del segnale aiuterà a controllare il rumore del segnale generato dalla trasmissione di segnali ordinari nel sistema. Per sistemi diversi, l'introduzione del ritorno via non è necessariamente fondamentale per la qualità del segnale, anche se questa è sempre una buona abitudine.

Una volta che questi punti chiave sono ottimizzati, considerando la situazione reale, abbiamo sempre lo stesso problema, funzionerà normalmente? Ho fatto abbastanza nel processo di elaborazione dei vias?

Un modo per rispondere a questa domanda è quello di impostare un dispositivo di prova ed eseguire misurazioni. Questo è l'approccio "test performance". Il costo è molto alto, richiede tempo e risorse, ma il risultato finale sarà la vostra fiducia nel migliorare notevolmente l'affidabilità del prodotto. Un altro metodo è quello di simulare il progetto finale prima di determinare l'hardware e inviarlo per la costruzione.

L'unico modo per simulare con precisione i vias differenziali è quello di utilizzare i risolutori di campo elettromagnetico 3D full-wave, come quelli forniti da Agilent Technologies e CST. Questi strumenti si sono dimostrati molto precisi ed è facile spiegare i diversi e comuni effetti, compresi quelli del percorso di ritorno, ma sono generalmente più complessi. Il modulo di rappresentazione del numero S di questo strumento può essere utilizzato in molti simulatori di sistema per prevedere gli effetti di primo e secondo livello. E' un processo perfetto.

Tuttavia, per alcune strutture via, le caratteristiche di impedenza differenziale possono essere approssimate con un modulo molto semplice. In questo modo, il prefabbricato di analisi può essere abbreviato in minuti anziché ore o addirittura giorni. Può anche analizzare in profondità quanti possibili problemi dovranno affrontare i vias e le caratteristiche che sono relativamente importanti per il design. Pertanto, quando valutiamo l'effetto via nelle serie ad alta velocità, usiamo sempre un modello semplice prima. Rispetto all'energia investita, il rendimento è enorme.

In primo luogo, il differenziale via può essere simulato come una coppia differenziale unificata con impedenza differenziale e costante dielettrica. È diviso in due o tre parti uguali, a seconda di come lo strato di segnale entra e lascia la via. L'unica differenza in queste parti è la loro lunghezza. Hanno tutti la stessa impedenza differenziale o impedenza di modo strano, e costante dielettrica.

L'impedenza differenziale delle due vie può essere stimata approssimativamente sulla base del modello tipico di analisi dell'impedenza delle aste gemelle. Come mostrato nella figura 1

L'impedenza differenziale può essere stimata dal modello twin rod:

Z0 = impedenza differenziale (ohm)

D = diametro del foro passante (mil)

s = distanza centro-centro (mils)

Dk = costante dielettrica efficace è circa 4-6,5

Ad esempio, se la costante dielettrica di tessuto di vetro e resina è 5, il divario è di 60 mil e il diametro della via è di 30 mil, allora l'impedenza differenziale è:

I vias sono generalmente inferiori a 100 ohm. Che tipo di valore è accettabile per noi? La risposta più comune alla domanda di integrità del segnale è: "Dipende". Se la perdita di inserimento di -1dB è accettabile, allora l'impedenza della via può essere inferiore a 65 ohm, ma può ancora essere soddisfatta in un ambiente di 100 ohm Questa specifica di prestazione.

In generale, solo utilizzando questo modello elettrico per simulare l'intero collegamento vi darà una risposta sicura. Questo semplice modello di coppia differenziale è un elemento necessario per stabilire la fiducia nel vostro disegno prima di produrlo.