Rancangan Elektronik - Rancangan PCB kelajuan tinggi: pilihan yang betul papan PCB

Dengan pembangunan cepat sistem digital, kehilangan garis transmisi, yang sebelumnya dianggap tidak signifikan, kini menjadi kepentingan utama desain PCB. Apabila frekuensi jam lebih tinggi daripada 1GHz, pengaruh kehilangan transmisi bergantung pada frekuensi sebenarnya telah berlaku, terutama antaramuka SerDes kelajuan tinggi, isyarat mempunyai masa naik yang sangat cepat, dan isyarat digital boleh membawa lebih tenaga frekuensi tinggi daripada frekuensi ulangnya sendiri. Komponen tenaga frekuensi tinggi ini digunakan untuk membina isyarat digital penukaran pantas ideal. Bus berantai kelajuan tinggi hari ini sering mempunyai jumlah besar konsentrasi tenaga pada harmonik ke-5 kadar jam.

Terdapat banyak aplikasi digital kelajuan tinggi, dengan kelajuan 10 Gbit/s atau lebih tinggi. Aplikasi ini menggunakan frekuensi dasar 5 GHz dan harmonik 15 GHz, 25 GHz, dll. Dalam julat frekuensi ini, bahan PCB yang paling umum mempunyai perbezaan yang sangat signifikan dalam kehilangan dielektrik (Df), dan menyebabkan masalah integriti isyarat serius. Ini adalah salah satu sebab mengapa PCB digital kelajuan tinggi menggunakan plat khas yang direka untuk aplikasi frekuensi tinggi. Formulasi bahan-bahan ini mempunyai faktor kehilangan rendah dan mempunyai perubahan minimal dalam julat frekuensi luas. Plat ini sering digunakan dalam aplikasi RF frekuensi tinggi pada masa lalu dan bahkan sekarang digunakan dalam aplikasi 77 GHz dan lebih tinggi. Selain peningkatan faktor kehilangan dielektrik, plat-plat ini juga disediakan dengan kawalan tebal ketat dan kawalan Dk, yang lebih baik untuk memastikan integriti isyarat.

Pada Pertunjukan Komputer Taipei 2019, AMD melepaskan pemproses Ryzen generasi ketiga. Selain prestasi CPU 7 nanometer AMD, ia mula menekan Intel. Set cip X570 yang disokong juga memperkenalkan sokongan untuk PCIe 4.0. SSD PCIe 4.0 NVMe juga mula diperkenalkan ke pasar, dan dijangka spesifikasi PCIe 5.0 akan dilepaskan dua tahun kemudian.

Kadar data PCIe 5.0 akan mencapai 32GT/s yang menakutkan, yang akan memperteruskan kehilangan penyisihan berkaitan frekuensi. Bahan PCB yang dipilih akan mempunyai kesan besar pada kehilangan penyisihan setiap kawasan.

Jika kesan papan pada isyarat kelajuan tinggi tidak dianggap bila merancang PCB, pemandu lama juga akan membalikkan kereta!

Apabila memilih papan PCB, perlu mencari keseimbangan antara memenuhi keperluan desain PCB, produksi mass a, dan kos. Dengan sederhana, keperluan desain termasuk kepercayaan listrik dan struktur. Biasanya masalah papan lebih penting bila merancang papan PCB kelajuan tinggi (frekuensi lebih besar daripada GHz). Contohnya, bahan FR-4 yang biasanya digunakan mempunyai kehilangan dielektrik besar Df (Dielectricloss) pada frekuensi beberapa GHz, yang mungkin tidak berlaku.

Kelajuan operasi sirkuit digital kelajuan tinggi adalah faktor utama yang dianggap dalam pemilihan PCB. Lebih tinggi kelajuan sirkuit, lebih kecil nilai Df PCB yang dipilih. Papan sirkuit dengan kehilangan tengah dan rendah akan sesuai untuk sirkuit digital 10Gb/s; papan dengan kehilangan yang lebih rendah sesuai untuk sirkuit digital 25Gb/s; papan dengan kehilangan ultra-rendah akan sesuai untuk sirkuit digital kelajuan tinggi yang lebih cepat, dan kadar boleh menjadi 50Gb /s atau lebih tinggi.

Dari bahan Df:

Df diantara papan sirkuit 0.01～0.005 yang sesuai untuk had atas sirkuit digital 10Gb/S;

Df diantara 0.005～0.003, had atas papan sirkuit yang sesuai ialah sirkuit digital 25Gb/S;

Papan sirkuit dengan Df tidak melebihi 0.0015 adalah sesuai untuk 50Gb/S atau bahkan sirkuit digital kelajuan lebih tinggi.

Untuk PCB kelajuan tinggi, diperlukan untuk mempertimbangkan sama ada pemilihan dan desain bahan memenuhi keperluan integriti isyarat bila merancang, yang memerlukan mengurangi kehilangan penghantaran isyarat.

Kehilangan transmisi PCB adalah kebanyakan terdiri dari kehilangan dielektrik, kehilangan konduktor dan kehilangan radiasi.

Apabila isyarat frekuensi tinggi dihantar dari pemandu ke penerima pada PCB sepanjang garis penghantaran panjang, faktor kehilangan bahan dielektrik mempunyai pengaruh besar pada isyarat. Faktor penyebaran yang lebih besar bermakna penyorban dielektrik yang lebih tinggi. Material dengan faktor kehilangan yang lebih besar akan mempengaruhi isyarat frekuensi tinggi pada garis transmisi panjang. Penyerapan dielektik meningkatkan penindasan frekuensi tinggi.

Material dielektrik yang paling biasa digunakan untuk PCB adalah FR-4, yang menggunakan laminat kaca resin epoksi, yang boleh memenuhi keperluan berbagai syarat proses. εr FR-4 adalah antara 4.1 dan 4.5. GETEK adalah bahan lain yang boleh digunakan untuk papan sirkuit kelajuan tinggi. GETEK terdiri dari resin epoksi (etera polifenilen) dengan εr antara 3.6 dan 4.2.

Kehilangan konduktor

Aliran muatan melalui bahan menyebabkan kehilangan tenaga. Kehilangan konduktor garis microstrip luar dan garis strip dalaman boleh dibahagi menjadi dua bahagian: kehilangan DC dan AC. Semasa langsung yang disebut di sini adalah sirkuit di bawah 1MHz. Walaupun kerugian DC secara umum tidak sesuai untuk desain sirkuit kelajuan tinggi, turun perlawanan akan menceroboh pada aras logik dan toleransi bunyi sistem berbilang-titik (seperti alamat SODIMM DDR3/4 dan kawalan bas kawalan arahan). Namun, memori dalam kapal biasanya mempunyai panjang kabel isyarat kurang dari 3 inci. Sebab itu, masalah ini tidak ditandai.

Untuk lebar tipis 5 mil, tebal 1,4 mil (tembaga 1oz), sirkuit panjang 1 inci, lawan laluan isyarat biasanya 0,1 ohm/inci apabila kuasa DC dilaksanakan. Resistensi besar tembaga dan kebanyakan logam lain adalah konstan sehingga frekuensi mendekati 100 GHz. Dalam mana-mana kes, ia adalah kesan kulit yang memicu dependensi frekuensi konduktor.

Semasa penggantian mempunyai kehilangan konduktor tahan atau induktif disebabkan dependensi frekuensinya. Pada frekuensi rendah, beberapa penjana PCB berfikir bahawa resistensi dan induktansi adalah sama dengan arus langsung, tetapi semasa frekuensi meningkat, distribusi semasa melintas pada garis transmisi dan permukaan rujukan menjadi tidak sama dan bergerak ke luar konduktor. Kerana kesan kulit, arus dipaksa memasuki permukaan luar tembaga, yang meningkatkan kehilangan. Penyebarkan semula semasa meningkatkan resistensi dan mengurangkan inductans koil per unit panjang. Sebagaimana frekuensi meningkat ke lebih dari 1GHz, resistensi terus meningkat, dan induktan koil mencapai nilai had dan menjadi induktan luaran. Semakin tinggi frekuensi, semakin besar kecenderungan untuk arus pada permukaan luar konduktor. Penolakan AC akan kekal kira-kira sama dengan penolakan DC sehingga frekuensi naik ke titik tertentu, iaitu, apabila kedalaman kulit kurang dari tebal konduktor.