Оптимизация ширины трассы и пространства для высокоскоростной целостности сигнала

Дифференциальная пара Руководящие принципы маршрутизации

Дифференциальные сигналы полагаются на плотную связь между P и N следами для отклонения шума общего режима. Внутрипарное расстояние (S) рассчитывается для достижения целевого дифференциального импеданса (Zdiff). Общее отношение - Zdiff ≈ 2 * Z0 * (1 - 0,48 * e^ (-0,96 * S/H)). Если расстояние слишком сильное, импеданс падает; если оно слишком слабое, пара теряет свое преимущество отбраковки общего режима. Оптимизация дифференциальной пары маршрутизации требует поддержания постоянного расстояния по всему пути, в том числе через штифтовые поля. При переходе слоев расстояние между сулами также должно контролироваться, чтобы минимизировать разрывы импеданса. Настройка длины в паре (для соответствия перекосу) должна быть выполнена с симметричными плюшевыми или тромбонными узорами, чтобы поддерживать согласованность соединения.

Стратегии агрессора, жертвы и изоляции

Выявление того, какие сети являются агрессорами, а какие - жертвами, является критическим шагом в обзоре конструкции. Высокоскоростные высокоскоростные сети (например, часы или стрелки данных) являются сильными агрессорами. Низкоскоростные сети с высоким сопротивлением (например, линии сброса или аналоговые входы) являются чувствительными жертвами. По возможности их следует разделять по крайней мере на наземной плоскости или размещать на разных слоях. Если они должны сосуществовать на одном и том же слое, следует использовать щедрые расстояния (10 Вт или более). Следы гвардии - маршрутизированные следы земли между агрессором и жертвой - могут уменьшить перекрестные стыки, но только если они сшиваются на наземную плоскость с помощью сквозняков через регулярные промежутки времени (каждый λ/20). Ненавязанный след охраны может фактически ухудшить перекрестные стыки, обеспечивая резонансный путь связи.

Фактор времени роста: почему частота не всегда важна

Одна из наиболее распространенных ошибок в высокоскоростном дизайне — фокусировка исключительно на тактовой частоте при игнорировании времени подъема сигнала. В современных цифровых ИС, чем быстрее переключение транзисторов, тем быстрее время подъема, независимо от тактовой частоты. Медленные часы с очень быстрым временем подъема могут вызвать серьезные проблемы с целостностью сигнала.

Частота коленного сустава (F knee)

Частота колена (F knee) представляет собой наиболее высокую значительную частотную составляющую в цифровом сигнале. Она определяется временем подъема от 10% до 90% (Tr), используя формулу: F knee = 0,35/Tr. Например, интерфейс LPDDR5, работающий на скорости 6,4 Гбит/с, имеет период бита 156 п. Если время подъема составляет 80 п.с., частота колена составляет 4,375 ГГц. Макет должен быть оптимизирован для 4,375 ГГц. Это приводит к принятию решений для оптимизации (обратное бурение), выбора материала (диэлектрики с низкими потерями) и сопоставления длины следа. Если длина следа превышает одну десятую от длины подъема сигнала (критическая длина), его следует рассматривать как линию передачи. Для времени подъема 100 п.с критическая длина в FR-4 составляет примерно 0,6 дюйма. Превышение этой длины без надлежащего завершения и управления импедансом приводит к отражениям.

Корреляция пропускной способности и скорости передачи данных

Инженеры часто путают скорость передачи данных (Gbps) с полосой пропускания (GHz). Для сигнала Non-Return-to-Zero (NRZ) фундаментальная тактовая частота составляет половину скорости передачи данных. Однако, как обсуждалось, полоса пропускания, необходимая для сохранения краев сигнала, продиктована частотой колена. Канал должен передавать частоты до F knee с минимальным затуханием и дисперсией. Вот почему оптимизация ширины и интервала трассировки является лишь одной частью более широкого анализа канала, который включает потерю вставки, потерю возврата и перекрестные разговоры по всей интересующей полосе пропускания.

Производственные реалии и толерантность

Конструкция столь же хороша, как и построенная плата. Оптимизация ширины и расстояния должна учитывать статистические вариации, присущие производству ПХД. Игнорирование допусков может привести к разработке, которая идеально имитирует, но не срабатывает в производстве из-за сдвига процессов.

Фактор выемки и медный вес

Идеальные следы имеют идеально прямоугольные поперечные сечения. Однако химический травление является изотропным процессом, который удаляет медь боково, а также вертикально, создавая трапециевидную форму. Соотношение траншей (вертикальная скорость траншей, деленная на боковую скорость траншей) обычно колеблется от 2:1 до 4:1. Это подрезание означает, что верхняя часть следа более узкая, чем нижняя. Для 50 Ω-следа, спроектированного с предполагаемым прямоугольным поперечным сечением, подрез может сместить фактическое сопротивление на 2-5 Ω. Дизайнеры должны указать целевое сопротивление для готового следа и попросить, чтобы их производитель соответствующим образом настроил произведение искусства, чтобы компенсировать фактор транша.

Эффекты Soldermask и Surface Finish

Солдермаск действует как тонкое диэлектрическое покрытие над внешними следами слоя. Он имеет диэлектрическую постоянную, как правило, между 3,5 и 4,5. Применение пайки снижает характерное импеданс микрополосы следы на 2-4 Ω, потому что он эффективно увеличивает диэлектрическую постоянную вокруг следа. Высокоскоростные конструкции должны учитывать толщину пайки в их предварительных расчетах изготовления. Аналогично, поверхность отделки (ENIG, HASL, OSP или Immersion Silver) может влиять на потери высокой частоты, хотя его влияние на импеданс минимально по сравнению с пайкой. ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) имеет магнитный слой никеля, который может ввести дополнительные потери на очень высоких частотах, что делает OSP или Immersion Silver предпочтительным для сверхскоростных каналов.

Проектирование возможностей продавца

Каждый производитель печатных плат определил минимальные возможности трассировки и пространства, как правило, от 3 мил / 3 мили для стандартной технологии до 2,5 мил / 2,5 мили или меньше для продвинутой технологии. Нажатие на абсолютный минимальный клиренс по всей доске увеличивает стоимость и снижает урожайность. Оптимизация включает использование плотных геометрий только там, где это необходимо (например, области разветвления BGA) и расслабление их там, где это возможно (на длинных параллельных прогонах) для улучшения управления импедансом и уменьшения перекрестных вызовов. Обзор матрицы возможностей производителя на этапе планирования штабелирования помогает согласовать цели проектирования с производственными реалиями.

Передовые методы оптимизации

Помимо основных правил ширины и интервала, продвинутые дизайнеры используют специальные методы для извлечения максимальной производительности из своих взаимосвязей. Эти стратегии касаются неидеальных аспектов реальных макетов печатных плат.

Оптимизация пути возвращения

Индуктивность петли является врагом высокоскоростной конструкции. Сигнал, движущийся по следу, должен иметь плотно связанный путь обратного тока непосредственно под или над ним. Если след пересекает зазор в плоскости земли или переходит слои без соседнего возврата через, область петли резко расширяется, увеличивая индуктивность и вызывая серьезные разрывы импеданса и EMI. Сшивание через имеет важное значение для поддержания пути возвращения с низкой индуктивностью. Размещение земли через соседний с каждым сигналом через этот переход между слоями может уменьшить эффективную индуктивность петли в четыре или более раза. Это обязательная оптимизация для любой конструкции, работающей со временем подъема менее 200 ps.

С помощью геометрии и обратного дрейфа

Через заглушки — неиспользованную часть бочки, выходящую за пределы целевого слоя — действуют как резонансные заглушки, ухудшающие качество сигнала. На частотах коленей, где длина заглушки равна четверти длины волны, заглушка создает короткую выемку на стыке, вызывая глубокую выемку в потере вставки. Назад-бурение (также называемое бурением с контролируемой глубиной) удаляет неиспользованную заглушку, значительно улучшая целостность сигнала. Для высокоскоростных конструкций с использованием полосовых слоев, указание обратного бурения в течение 10 милл целевого слоя является стандартной оптимизацией. Кроме того, уменьшение размера сквозной прокладки и размера анти-прокладки уточняет импеданс самой прокладки.

Сбивающие следы в плотных областях

В плотных областях вентиляции BGA физически невозможно поддерживать ширину следа цели для каждого сигнала. Дизайнеры должны временно «срезать» след до более узкой ширины, чтобы избежать между прокладками. Критическое правило для шеи - минимизировать длину суженного участка. Сегмент шеи должен быть электрически коротким - значительно меньше, чем длина времени подъема - так что разрыв импеданса, который он создает, не вызывает значительного отражения. Сохранение длины шеи менее 100 милс для типичных субнаносекундных времен подъема является безопасной практикой. След должен вернуться к своей оптимизированной ширине сразу после очистки поля прокладки BGA.

Путь к прочной целостности сигнала

Оптимизация ширины и интервала трассировки является балансирующим актом между идеальной электромагнитной геометрией, практическими ограничениями производства и экономическими реалиями стоимости платы. Для каждого дизайна нет единого «правильного» ответа. Цель состоит в том, чтобы сделать обоснованные компромиссы на основе конкретных частот сигналов, времени подъема и шумовых бюджетов системы. Строго применяя теорию линий передачи, уважая влияние частотной области на время подъема и тесно сотрудничая с изготовителями ПХД на допуски, дизайнеры могут достичь надежной целостности сигнала. Использование современных инструментов анализа целостности сигнала для моделирования до и после закладки является заключительным шагом, который проверяет эти оптимизации, прежде чем совершить проектирование. Отношение геометрии трассы как критической переменной дизайна, а не запоздалой мысли, отделяет надежные высокоскоростные системы от тех, кто страдает от периодических сбоев на скамейке.