PCB Tecnico - Analisi ad alta velocità di simulazione dei vias differenziali in fabbrica PCB

Nella progettazione di sistemi hardware, il crosstalk a cui di solito prestiamo attenzione si verifica principalmente tra connettori, pacchetti di chip e tracce parallele con spaziatura relativamente stretta. Tuttavia, in alcuni progetti di circuiti stampati di fabbriche di PCB, si verificherà anche un ampio crosstalk tra via differenziale ad alta velocità. L'editor della fabbrica PCB fornisce esempi di analisi di simulazione e soluzioni per il crosstalk tra vias differenziali ad alta velocità.

Conversazione incrociata tra vias differenziali ad alta velocità

Per PCB più spessi, lo spessore può raggiungere 2.4mm o 3mm. Prendiamo ad esempio una scheda singola di 3mm. In questo momento, la lunghezza di un foro passante nella direzione Z sul PCB può raggiungere quasi 118 mil. Se c'è un BGA passo 0,8 mm sul PCB, il fan-out tramite passo del dispositivo BGA è solo di circa 31,5 mil.

Come mostrato nella Figura 1, la lunghezza parallela H nella direzione Z tra due coppie di vias differenziali adiacenti è maggiore di 100 mil, e la distanza orizzontale tra le due coppie di vias differenziali è S=31,5 mil. Quando la distanza parallela tra vias in direzione Z è molto più grande della distanza orizzontale, deve essere considerato il problema della crosstalk tra vias differenziali di segnale ad alta velocità. A proposito, quando si progettano PCB ad alta velocità, la lunghezza del via stub dovrebbe essere minimizzata il più possibile per ridurre l'impatto sul segnale. Come mostrato nella Figura 1 qui sotto, lo stub sarà più corto se viene instradato vicino al livello inferiore. Oppure puoi usare la trivellazione posteriore.

Figura 1: Crosstalk generato da vias differenziali ad alta velocità (H>100mil, S=31.5mil)

Analisi di simulazione della conversazione incrociata tra vie differenziali

La seguente è una simulazione di un esempio di progettazione con uno spessore della scheda di 3mm, una ventola BGA di 0,8mm via passo di 31,5mil e una distanza via parallela H=112mil.

Come mostrato nella Figura 2, definiamo 4 coppie di coppie differenziali in 8 porte differenziali in base al routing.

Figura 2: Definizione della porta di simulazione di conversazione incrociata

Supponendo che le porte differenziali D1-D4 siano le estremità riceventi del chip, analizziamo il crosstalk dei canali adiacenti osservando il crosstalk di fine lontano delle porte D5, D7 e D8 alla porta D2. Dai risultati mostrati in Figura 3, possiamo vedere che il crosstalk di fine lontano tra i due canali ad una distanza relativamente vicina può raggiungere -37dB@5GHz e -32dB@10GHz E' necessaria un'ulteriore ottimizzazione del design per ridurre il crosstalk.

Figura 3: Risultati della simulazione tra coppie differenziali

Potreste avere domande dopo aver letto questo: Come determinare il crosstalk causato dalle vie differenziali piuttosto che il crosstalk causato dalle tracce differenziali?

Per illustrare questo problema, dividiamo l'esempio sopra citato in due parti, l'area fan-out BGA e le tracce differenziali, rispettivamente per la simulazione. Il risultato della simulazione è mostrato nella figura 4:

Figura 4: Risultati della simulazione crosstalk dell'area fan-out BGA e della traccia differenziale

Dai risultati della simulazione sul lato destro della Figura 4, si può vedere che il crosstalk tra le tracce differenziali è inferiore a -50dB, e raggiunge anche sotto -60dB nella banda di frequenza 10GHz. Il crosstalk nell'area fan-out del BGA è relativamente vicino al valore crosstalk della simulazione globale originale. Dai risultati della simulazione in Figura 4, possiamo concludere che il crosstalk tra le vie differenziali nell'esempio precedente gioca un ruolo importante.

Ottimizzazione della conversazione incrociata tra vie differenziali

Conoscendo le cause profonde del crosstalk causato da tali problemi, il metodo di ottimizzazione del crosstalk tra vie differenziali è più chiaro. Aumentare la distanza tra vie differenziali è un metodo semplice, facile ed efficace. Sulla base del disegno originale dell'esempio, abbiamo ottimizzato la posizione dei vias differenziali in modo che la distanza tra ogni coppia di vias differenziali sia maggiore di 75 mil. Dai risultati della simulazione mostrati nella Figura 5 e dal confronto dei dati nella Tabella 1, si può vedere che il crosstalk avanzato ottimizzato ha un miglioramento di 15-20dB nella banda 15GHz e di 10 dB nella banda 15-20GHz rispetto al progetto originale.

Figura 5: Risultati della simulazione crosstalk dopo l'ottimizzazione della spaziatura delle vie differenziali