Introduzione dettagliata di FS Technology alla progettazione di PCBA ad alta frequenza

La richiesta di una trasmissione dati precisa e ad alta velocità fa sì che i cavi dati ad alta frequenza diventino il mainstream dei tempi, come USB4, HDMI, Thunderbolt e DisplayPort. La trasmissione del segnale avviene attraverso la vecchia versione di HDMI 2.1TMDS, che può raggiungere i 18Gbps e trasmettere immagini ad alta definizione con risoluzione 3840x2160p e 4K. Con l'innovazione della tecnologia PCBA ad alta frequenza, la larghezza di banda utilizzando la più recente modalità FRL può essere aumentata a 48 Gbps. Se si utilizza la tecnologia di compressione su questa base, diventa facile trasmettere immagini a risoluzione 10K; e utilizzando la nuova versione USB4 è possibile raggiungere una velocità di 40 Gbps. Indipendentemente dal tipo di cablaggio ad alta frequenza, ci sarà un rumore termico del PCB o altri tipi di rumore del PCB. Come risolvere il rumore delle PCBA è diventato l'obiettivo dei produttori o dei progettisti. A questo punto si pone la domanda: quale valore di frequenza è considerato alta frequenza? 400 MHz, 10 GHz, 5 GHz o 1 GHz.

Tre linee dati ad alta frequenza

Il concetto di linea ad alta frequenza

Riduzione delle lunghezze d'onda di riflessione ad alta frequenza

La definizione di alta frequenza può essere giudicata non solo in base alla frequenza, ma anche in base alla presenza o meno della riflessione. Quando le onde elettromagnetiche vengono trasmesse su un mezzo (aria o circuito stampato), si verificano le tre situazioni seguenti:

  • Mezzo continuo: non si verifica alcun fenomeno di riflessione;
  • Mezzo discontinuo: se si verifica una riflessione, la frequenza è considerata una frequenza bassa su questo mezzo;
  • Mezzo discontinuo: Se si verifica una riflessione, la frequenza è considerata alta su questo mezzo.
 

Possiamo quindi concludere che la riflessione dipende dalla lunghezza d'onda.

La velocità di trasmissione delle onde elettromagnetiche nell'aria o nel vuoto è pari alla velocità della luce:

Formula di calcolo della corrente del circuito ad alta frequenza

Mentre nel caso di qualsiasi onda elettromagnetica a media velocità è:

La velocità di trasmissione delle onde elettromagnetiche nel PCB

Attraverso l'uso di questa espressione, possiamo trovare la velocità di trasmissione elettromagnetica nel caso di un mezzo come la scheda PCBA ad alta frequenza:

Formula della velocità d'onda dell'onda elettromagnetica nel PCB

Se mettiamo in relazione la velocità dell'onda con l'equazione dell'onda elettromagnetica quando attraversa un mezzo. Il risultato è una nuova espressione: 

Formula della lunghezza d'onda delle onde elettromagnetiche in PCB

Dall'equazione precedente, possiamo concludere che se la lunghezza d'onda è maggiore della lunghezza del percorso di trasmissione, non ci sarà riflessione.

Quindi, per ridurre al minimo la riflessione, possiamo aumentare la lunghezza d'onda del segnale elettromagnetico al massimo, normalmente 4 volte la lunghezza della traccia. Una conclusione che si può trarre dalla formula precedente è che, abbassando la frequenza e la permittività relativa della scheda, si può anche allungare la lunghezza d'onda. Ma in realtà, a causa dei requisiti di trasmissione, non è possibile ridurre la velocità di trasmissione dei dati a piacimento, e il mezzo del PCB non può essere 1.

Esiste un'altra opzione che accorcia la lunghezza di Trace, lasciando che la sua lunghezza sia inferiore alla lunghezza d'onda trasmessa. Ma FS Technology ritiene che questo approccio abbia dei limiti. Quando la velocità di trasmissione raggiunge una certa altezza o la posizione tra i componenti del PCBA ad alta frequenza è limitata, la lunghezza della traccia del PCBA ad alta frequenza deve essere aumentata di almeno 5-10 cm.

Tracce ad alta frequenza e impedenza

Quando si studiano le tracce ad alta frequenza della scheda PCB, ci si chiede se sia necessario progettare l'impedenza della traccia, ma i dati sopra riportati non riportano nulla al riguardo. Sopra abbiamo detto che in caso di assenza di riflessione non ci sono problemi di impedenza per le tracce, quindi non è necessario progettare l'impedenza.

Come indicato nel paragrafo precedente, con l'aumento della richiesta di trasmissione ad alta frequenza, la riduzione cieca della lunghezza della traccia è molto debole. Per i progetti che richiedono velocità di trasmissione elevatissime, questo metodo non può essere utilizzato. Quindi la traccia allungata mostrerà inevitabilmente una riflessione. Secondo la teoria basata sulle onde elettromagnetiche, esiste un'altra tecnica che non presenta riflessioni: Impedenza della traccia = impedenza del carico = impedenza interna.

Questa teoria si ricollega alla discussione fatta all'inizio, secondo cui se abbiamo un mezzo continuo, non ci sarà alcuna riflessione. In modo semplice, traccia, carico e impedenza interna sono uguali.

Riflessione e valutazione errata del segnale PCBA ad alta frequenza

Che si tratti di un produttore di PCBA o di un cliente che acquista servizi di PCBA, non vogliamo che appaiano riflessi. La riflessione indica la parte di energia che non viene utilizzata o trasmessa e che torna all'origine come un trasmettitore. Il punto principale che vogliamo esprimere è che quando non c'è riflessione, indipendentemente dalla frequenza, la traccia non avrà problemi di impedenza, vale a dire che non è necessario progettare l'impedenza.

Ma in realtà l'energia riflessa viene nuovamente riflessa dalla sorgente a causa del fenomeno della sovrapposizione delle onde. Se le onde vengono riflesse due volte nei punti di ricezione, si sovrapporranno a un altro segnale che costituisce il segnale di errore. Supponiamo di avere un segnale digitale che è 1 al punto di partenza sarà zero al punto di ricezione e il segnale che era zero sarà uno, il che risulta in un errore di calcolo o di valutazione del segnale.

Precauzioni per la produzione di PCBA ad alta frequenza

Dopo aver compreso i problemi causati dalla riflessione, dovremo scegliere la scheda giusta per realizzare un circuito stampato ad alta frequenza. Normalmente si utilizzano due tipi di schede PCB: Rogers e FR4.

La permittività relativa è il punto chiave che influenza la qualità del segnale:

Permettività relativa del PCB

Esiste una relazione tra la frequenza e la permittività relativa e la variazione della frequenza modifica anche la frequenza relativa, come spiega la formula sottostante:

La relazione tra la variazione di frequenza del PCB e il coefficiente dielettrico

E

Variazione di frequenza dei PCB ad alta frequenza rispetto al coefficiente dielettrico

Qui possiamo vedere che la variazione della permittività relativa dipende dalla frequenza di trasmissione dell'onda elettromagnetica sulla tavola e dalla lunghezza d'onda. Si tratta di un fenomeno di dispersione previsto dalla teoria delle onde elettromagnetiche e questo mezzo è noto come dispersione.

Panoramica dettagliata dei problemi di dispersione delle PCBA ad alta frequenza

Il segnale digitale viene trasmesso sotto forma di onde quadre che hanno valore 0 o 1. Se osserviamo la variazione di frequenza di un'onda quadra, questa si rifletterà nella formazione di innumerevoli onde sin di diversa frequenza. In parole povere, si tratta di onde fondamentali e di 2 armoniche dispari che si sovrappongono.

La legge dell'onda quadra del circuito ad alta frequenza

Se tre onde di frequenza diversa vengono fatte passare attraverso le tracce del PCB a causa della diversa permittività relativa, si avrà una differenza di velocità di trasmissione. In un caso ideale, le tre frequenze hanno la stessa velocità, impostiamo il valore della velocità su X e, di conseguenza, otterremo un segnale completo a onda quadra all'estremità ricevente del segnale. Nella realtà, però, questo non può accadere: le tre frequenze hanno una velocità propria, veloce o lenta. Se aumentiamo ciecamente la lunghezza della traccia, riceveremo onde elettromagnetiche scomposte in tre frequenze diverse in tempi diversi.

Variazione della frequenza di diverse frequenze su PCB ad alta frequenza

Un segnale simile ad alto livello raggiunge intervalli di tempo diversi e anche l'ampiezza si riduce, causando errori di valutazione nel punto di ricezione e risultando in errori di bit.

Oppure, se nella nostra apparecchiatura sono presenti più segnali di velocità diversa, poiché il segnale ad alta velocità supera quello a bassa velocità, il PCBA ad alta frequenza riceverà un segnale disordinato all'estremità ricevente, rendendo impossibile valutarne l'accuratezza.

Come abbiamo detto in precedenza, anche se abbiamo progettato l'impedenza della traccia (single-end 50 Ω o differenziale 100 Ω), la traccia può muoversi per un tempo maggiore senza causare riflessioni, ma quando incontra il mezzo dispersivo limita anche la lunghezza della traccia. Quindi, per la progettazione dell'impedenza, possiamo scegliere di rendere la traccia il più corta possibile.

Confronto tra materiali ad alta frequenza: FR4 vs Rogers

Utilizzando la comprensione della permittività relativa e dei fenomeni di dispersione, facciamo ora un confronto tra i materiali FR4 e Rogers. La figura seguente dà un'idea della permittività relativa di FR4 e Rogers in funzione della frequenza.

Permettività relativa in funzione della frequenza per FR4 e Rogers

Dalla figura precedente, si può notare che ∈ r (f) dell'FR4 cambia fortemente in base alla frequenza, mentre non c'è alcun costo per Rogers. Supponiamo di utilizzare una frequenza di trasmissione pari a PRBS31, quindi l'utilizzo di FR4 deve prestare molta attenzione ai problemi di dispersione. Per ridurre i problemi di dispersione, le tracce devono essere il più possibile piccole.

Si potrebbe pensare che la soluzione non sia usare FR4 ma usare Rogers PCB e i problemi sono risolti. È corretto, ma i prezzi di Rogers sono elevati e bisogna considerare anche questo aspetto. La riduzione dei prezzi e come mantenere la qualità del segnale per soddisfare i requisiti di comunicazione. Mi vengono sempre in mente gli ingegneri che realizzano i layout per fare l'equilibrio.

Infine, non abbiamo discusso l'effetto di ∈ r (f) sull'impedenza della traccia. Fondamentalmente influisce, ma per evitare analisi e spiegazioni troppo complicate, il problema della progettazione dell'impedenza è idealizzato.

Analisi della struttura a grande guida d'onda di tre PCBA ad alta frequenza

Nella discussione precedente, abbiamo spiegato la relazione tra l'alta frequenza e il PCB, come la selezione di materiali accurati e il confronto dei prezzi. Ora parleremo del layout di progettazione dei circuiti stampati ad alta frequenza.

Quando si pensa a come progettare il layout di un PCB? La prima domanda che ci viene in mente riguarda la simulazione. L'uso di un software di simulazione è facile e consente di risparmiare tempo e denaro, ma come possiamo formulare i parametri di simulazione? Innanzitutto, è necessario avere un'idea di come iniziare la progettazione del layout. 

Prima PCB ad alta frequenza Per la fabbricazione delle schede, il primo problema da affrontare è la scelta di una struttura di guida d'onda adeguata. Di seguito sono descritte le tre strutture di trasmissione più elementari:

  • Microstriscia
  • Stripline
  • Guida d'onda complanare

Diagramma di confronto della struttura della guida d'onda di grandi dimensioni su PCB

Microstriscia

L'architettura e il design sono semplici. Per le alte frequenze simili PCBA I substrati, a causa della loro semplice struttura, non possono variare molti parametri, come la larghezza della linea, lo spessore del substrato e lo spessore della linea.

Con l'aumento della frequenza, c'è un altro problema per Microstrip: il valore dell'aria al di sopra della traccia è ∈ eff = 1, e il substrato al di sotto è ∈ eff ≠ 1, il modello asimmetrico sarà per un campo superiore e inferiore che risulta in un modello di campo di onde elettromagnetiche asimmetrico. Questo comportamento asimmetrico influisce sulla qualità della trasmissione del segnale.

Stripline

La struttura è complicata e i ∈ eff del substrato superiore e inferiore possono essere vicini al substrato, quindi il modello dell'onda elettromagnetica è completo. Inoltre, le tracce stripline ad alta frequenza non mostrano un effetto diafonia a lungo raggio tra loro.

L'attenuazione del segnale e i problemi di riflessione sono dovuti alla ridondanza dei segmenti via, poiché gli strati interni sono collegati alle parti esterne mediante l'uso di vias. Per ridurre al minimo questo problema, è possibile utilizzare la foratura posteriore o i vias ciechi, ma questo aumenta i costi. 

PCB ad alta frequenza migliorato

Guida d'onda complanare

Per la creazione di una guida d'onda, entrambi i lati della traccia sono coperti da una protezione di rame come nella microstriscia. La guida d'onda complanare ha quindi la possibilità di modificare altri parametri fisici, ad esempio la distanza tra la traccia e la massa e la distanza tra la via e la traccia esistente sulla massa.

Una guida d'onda complanare è affiancata da GND che riduce al minimo l'effetto di diafonia. Esiste un collo di bottiglia nel progetto: se si utilizzano tracce ad alta frequenza e ad alta densità in circuiti come PCIe, la struttura non avrà spazio sufficiente per applicare la messa a terra in rame su entrambi i lati delle tracce. 

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