Progettazione e analisi del PCB

Punti chiave

• Rivedere le strutture di routing delle stripline

• I quattro passi fondamentali nel routing delle linee di trasmissione stripline

• Come la progettazione PCB Gli strumenti CAD possono aiutare con il routing delle linee di trasmissione

La tecnologia dei circuiti stampati continua a crescere ed espandersi

Come la tecnologia dei processori usata nei circuiti stampati continua ad evolversi, così come la necessità di condurre i loro circuiti a velocità sempre maggiori. Con l’introduzione di ogni nuova iterazione di processori, le velocità di commutazione dei segnali diventano più veloci, il che a sua volta richiede una maggiore attenzione nel modo in cui questi segnali vengono instradati sul PCB. Con le velocità di clock più elevate e i tempi di transizione più brevi di questa circuiteria, molte connessioni che prima venivano instradate senza preoccupazioni ora devono essere trattate come linee di trasmissione ad alta velocità.

Per condurre correttamente queste linee di trasmissione con la loro commutazione ad alta velocità, l’instradamento delle tracce nel PCB deve avere la sua impedenza attentamente controllata. Ciò richiede che la struttura delle linee di trasmissione attraverso la scheda sia molto coerente per evitare che una parte del segnale venga riflessa. Queste riflessioni del segnale possono causare rumore sulla linea e alla fine degradare le prestazioni del circuito. Per prevenire problemi come questi è necessario impostare lo stackup degli strati della scheda e le regole di routing per l’instradamento delle linee di trasmissione stripline nel PCB, che esploreremo qui in maggior dettaglio.

Stripline in Review

Stripline routing è la configurazione degli strati del circuito che permette ad uno strato interno di routing delle tracce di essere inserito tra due strati del piano di massa. Controllando attentamente lo spessore e la costante dielettrica (Dk) del materiale isolante tra gli strati di routing e di piano, è possibile creare tracce con una larghezza e un peso di rame specifici che funzioneranno a un’impedenza specifica. Questo è chiamato routing ad impedenza controllata, ed è spesso richiesto quando si instradano le linee di trasmissione su un PCB al fine di eliminare qualsiasi riflessione del segnale.

Un’altra configurazione di instradamento delle linee di trasmissione è nota come microstrip, che è simile al routing stripline, tranne che la microstrip è instradata su uno strato esterno della scheda. Con questa configurazione, c’è solo un piano di riferimento e un dielettrico isolante sotto lo strato di routing superficiale. Senza la stessa quantità di schermatura sopra e sotto il percorso come la stripline, la microstriscia non offre lo stesso livello di isolamento. Inoltre, l’esposizione delle tracce invece di essere a sandwich tra i piani cambia il calcolo dell’impedenza a causa del valore Dk dell’aria. Questo è il motivo per cui il routing a microstriscia è tipicamente più ampio di quello a stripline.

Perché il routing a stripline è ben isolato tra gli strati dielettrici e piani, le linee di trasmissione non irradiano tanta energia come con la microstriscia. Questo permette di avere tracce più piccole e più strette. Inoltre, la configurazione stripline offre maggiore protezione dai segnali aggressori in arrivo che possono creare interferenze. In seguito, vedremo i quattro passi fondamentali dell’instradamento delle linee di trasmissione stripline.

Instradamento del PCB sotto i componenti

Instradamento delle linee di trasmissione stripline

Ci sono quattro passi fondamentali da considerare per instradare con successo le linee di trasmissione stripline:

• Layer stackup: L’utilizzo di una configurazione stripline per l’instradamento delle linee di trasmissione inizia con la creazione dello stackup dei livelli della scheda. Non solo dovrà essere specificato uno strato di routing dedicato tra due piani di massa, ma dovranno essere pianificati anche i materiali dielettrici e le loro larghezze. Questo è importante per il passo successivo.

• Calcoli di impedenza: Il team di layout del PCB avrà bisogno delle informazioni sullo stackup dei layer della scheda per calcolare correttamente le larghezze di instradamento delle linee di impedenza controllate. Inserendo i materiali della scheda che verranno usati insieme alle loro larghezze, il calcolatore sarà in grado di determinare la corretta larghezza della traccia per i valori di impedenza desiderati.

• Instradamento: Le linee di trasmissione devono essere isolate da altri tipi di instradamento del segnale, quindi assicuratevi di impostare le vostre regole di progettazione per dare uno spazio adeguato a queste linee. Altri segnali possono usare lo stesso strato, hanno solo bisogno di stare fuori dalla strada delle linee di trasmissione ad alta velocità per preservare l’integrità del segnale di quelle linee.

• Piani di massa: Quando installi le tue linee di trasmissione, assicurati di non instradarle sopra le interruzioni del piano di terra. Le linee di trasmissione richiedono uno strato di piano ininterrotto per un percorso di ritorno del segnale pulito e diretto. Qualsiasi interruzione negli strati del piano a causa di piani divisi, ritagli, o anche una massa di vias, causerà il segnale di ritorno a vagare intorno al piano creando rumore mentre va.

A questo punto, sei pronto per iniziare a instradare le tue linee di trasmissione stripline. A seconda delle necessità, ci sono diversi tipi di configurazioni di instradamento di stripline che si possono usare. In alcuni casi, potreste aver bisogno che l’instradamento sia sfalsato tra i piani di riferimento, o accoppiato con un altro segnale. Puoi vedere alcuni esempi di questi nell’illustrazione qui sotto.

Alcuni esempi di strutture di instradamento stripline

Cosa ti serve nei tuoi strumenti di progettazione per l’instradamento stripline

La prossima domanda è: come possono i tuoi strumenti di progettazione PCB aiutarti con l’instradamento delle linee di trasmissione stripline? Ci sono molte capacità degli strumenti di progettazione PCB che sarebbero molto utili, a partire dalla capacità di lavorare direttamente con il vostro produttore per importare le informazioni di stackup dei livelli della scheda. Usando il formato dati IPC 2581, il vostro produttore potrebbe inviarvi il loro stackup di strati preferito completo di materiali, larghezze e configurazioni di strati. Potreste poi usare gli stessi protocolli per rispedire i vostri file di schede finite per la fabbricazione e l’assemblaggio. I calcolatori d’impedenza incorporati negli strumenti di progettazione sarebbero anche utili, così come le regole di progettazione e le funzioni di editing avanzate per la creazione del routing e del piano di terra.

Fortunatamente questo livello di sofisticazione degli strumenti di progettazione non è qualcosa che si deve aspettare, è già disponibile sul mercato oggi. Un esempio di un sistema di progettazione PCB che ha tutte le caratteristiche e le capacità di cui abbiamo parlato qui è di Cadence. OrCAD PCB Designer ha gli strumenti e le funzionalità per portare con competenza il vostro progetto dal concetto ai file di produzione finali, oltre ad assistervi con la vostra linea di trasmissione stripline. Con OrCAD, avete accesso a librerie, acquisizione schematica e strumenti SPICE, oltre a tutte le funzionalità di layout PCB di cui avrete bisogno per il successo.

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A proposito dell’autore

Cadence PCB solutions è uno strumento completo di progettazione front to back per consentire la creazione rapida ed efficiente del prodotto. Cadence permette agli utenti di ridurre accuratamente i cicli di progettazione per passare alla produzione attraverso il moderno standard industriale IPC-2581.

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