Come migliorare l'integrità del segnale in un PCB

Gli enormi progressi compiuti in campo elettronico hanno fatto sì che le frequenze dei segnali digitali che percorrono molte categorie di circuiti stampati siano cresciute esponenzialmente, confermando di fatto quanto predetto dalla legge di Moore. Questa tendenza si prevede continui anche in futuro, con velocità di trasmissione pari o superiori a 1 Gbps, con l’utilizzo sempre più diffuso di interfacce Ethernet e switch di rete nelle applicazioni automotive, industriali e IoT. L'aumento della velocità di trasmissione dei dati, unito alla progressiva riduzione del fattore di forma nella maggior parte delle applicazioni elettroniche (si pensi, ad esempio, agli indossabili o ai dispositivi elettromedicali), richiede un’attenta progettazione del circuito, a partire dal PCB, in modo tale che l’integrità del segnale sia garantita in ogni condizione operativa. Elevate velocità di trasmissione dei segnali, insertion loss e margini di errore ridotti sono soltanto alcuni dei requisiti che i progettisti devono soddisfare in queste applicazioni. L’integrità del segnale non rappresenta un’opzione, ma è essenziale per il funzionamento di ogni circuito stampato con segnali ad elevata frequenza.

Integrità del segnale: cos’è

Per integrità del segnale (signal integrity) si intende l’insieme delle attività di progettazione, analisi e verifica, il cui obiettivo principale è quello di preservare la l’integrità dei segnali elettrici che percorrono le tracce di un PCB, ovvero i loro valori di tensione, corrente e il relativo andamento nel tempo. Questo tema riveste un ruolo fondamentale nei circuiti stampati digitali con linee di trasmissione (segnali o clock) ad elevata frequenza, facilmente influenzabili dal rumore e dalle interferenze. Nei moderni circuiti elettronici non è difficile incontrare dei segnali il cui fronte di salita o discesa è dell’ordine di qualche decina di picosecondo; ciò implica che, per evitare distorsioni del segnale, le tracce del PCB devono essere progettate per garantire un’elevata ampiezza di banda e non alterare le componenti spettrali del segnale. Un aumento o diminuzione molto rapida dei fronti di salita e discesa del segnale è una delle principali cause del crosstalk (diafonia) e deve pertanto essere opportunamente considerato. Se in passato il requisito di integrità del segnale doveva essere soddisfatto solo per alcune particolari applicazioni (militari, avioniche, telco e medicali), oggi è diventato un’esigenza comune per i circuiti elettronici che utilizzano componenti digitali ad elevata integrazione, come microprocessori, FPGA, SoC, bus ad elevata velocità e memorie DDR.

Integrità del segnale e interferenza elettromagnetica

Chi progetta dispositivi ad uso industriale, o che comunque richiedono un’omologazione da parte di alcuni enti certificati prima di consentirne la commercializzazione, sa come occorra tenere in considerazione, sin dagli stadi iniziali di sviluppo del PCB, i problemi legati alle interferenze elettromagnetiche (EMI). Al fine di superare con successo i test relativi alla compatibilità elettromagnetica (EMC), occorre fare in modo che i segnali che attraversano il circuito stampato offrano un elevato grado di immunità nei confronti delle interferenze elettromagnetiche prodotte da sorgenti esterne, limitando allo stesso tempo sia le emissioni condotte (CE), sia le emissioni radiate (RE) prodotte dal circuito stesso.

L'integrità del segnale mira invece ad evitare il degrado della qualità del segnale al fine di eliminare la possibilità di distorsioni o errori di trasmissione dei segnali digitali tra la sorgente e la destinazione. Relativamente al requisito di integrità del segnale, l'obiettivo è quello di realizzare PCB in cui i segnali siano puliti e dotati di adeguati margini operativi (relativi a possibili variazioni della frequenza di clock, della tensione di alimentazione o delle condizioni ambientali). I principali problemi a cui si va incontro sono le riflessioni del segnale, la diafonia (crosstalk), i rimbalzi di massa (ground debounce) e i fenomeni di accoppiamento. Le possibili distorsioni subite dal segnale sono in genere dell’ordine di qualche millivolt o milliampere. In Figura 1 è visibile un esempio di distorsione del segnale (in questo caso prodotto sui fronti di salita e discesa di un segnale ad onda quadra) potenzialmente in grado di compromettere l’integrità del segnale.

Figura 1: Esempio di distorsione di un segnale ad ona quadra.

Con riferimento invece alle interferenze elettromagnetiche, i livelli dei segnali in gioco sono dell’ordine di qualche microvolt o microampere per le emissioni, e qualche kilovolt o ampere per l'immunità. Da ciò si deduce come i valori dei parametri richiesti per soddisfare i requisiti di integrità del segnale siano sensibilmente superiori a quelli richiesti per il superamento dei test EMC relativi alle emissioni (radiate e condotte), ma inferiori a quelli necessari per l'immunità alle interferenze elettromagnetiche. Anche se i concetti di integrità del segnale e interferenza elettromagnetica sono differenti, le tecniche di progettazione del pCB utilizzate per soddisfare i requisiti ad esse associati sono comuni.

Come migliorare l’integrità del segnale

Definizione dello stackup

Il numero, tipo e disposizione dei diversi layer che compongono il PCB deve essere scelto trovando il giusto compromesso tra costi, dimensioni e integrità del segnale. La regola generale da seguire è quella di inserire dei piani di alimentazione e massa in grado di fornire un percorso di ritorno verso massa per ogni segnale, in modo tale da assicurare un buon controllo dell’impedenza. Se possibile, tali piani dovrebbero essere distribuiti uniformemente nello stackup, in modo tale che almeno uno di essi sia adiacente ad ogni layer di segnale e non presentare interruzioni o punti di discontinuità che possono modificare il percorso del segnale. Anche le proprietà dei materiali utilizzati giocano un ruolo fondamentale e pertanto occorre valutare attentamente lo spessore del rame, lo spessore del dielettrico e la costante dielettrica. L’utilizzo di materiali standard, come il tradizionale FR-4, non sempre rappresenta la scelta migliore per circuiti con elevate velocità di propagazione del segnale. In questi casi è preferibile selezionare laminati con basse costanti dielettriche (Dk), in grado di ridurre le distorsioni e le variazioni di fase del segnale. Un esempio sono i laminati Rogers, come il Rogers RO4350. Rispetto all’FR-4, materiali di questo tipo offrono proprietà specifiche per le alte frequenze, anche se comportano un costo superiore.

Controllo dell’impedenza

Il controllo dell’impedenza consiste nel trovare il giusto accoppiamento tra dimensione e posizione delle tracce del PCB e proprietà del substrato, assicurandosi che l’intensità del segnale lungo una traccia si mantenga entro limiti prestabiliti. La potenza del segnale è tanto maggiore quanto migliore è l’accoppiamento; viceversa, un cattivo accoppiamento comporta perdite di potenza e conseguenti problemi di integrità del segnale.

Per ottenere un buon accoppiamento dell’impedenza, occorre che le tracce del PCB abbiano una geometria uniforme, condizione per garantire una costante dielettrica consistente lungo tutta la traccia. Il progettista può controllare il valore dell’impedenza agendo sull’ampiezza della traccia e utilizzando un apposito calcolatore, disponile anche online. Se si trascura l’impedenza, si possono ottenere riflessioni del segnale, che tende a ritornare verso il punto di origine. Ciò riduce la potenza del segnale che arriva a destinazione e la generazione di interferenze elettromagnetiche. Particolare attenzione deve essere posta nei PCB multistrato, dove può accadere che una traccia di un layer con impedenza 40 Ω debba proseguire su un layer adiacente con impedenza 50 Ω, provocando una riflessione del segnale. Un buon controllo dell’impedenza deve garantire che la stessa si mantenga costante in ogni punto della traccia, anche quando questa attraversa layer differenti.

Un valido strumento per valutare velocemente e in modo intuitivo la qualità di un segnale digitale è il diagramma ad occhio, il quale visualizza eventuali distorsioni subite dal segnale lungo la linea di trasmissione. In Figura 2 è visibile un esempio di diagramma ad occhio, relativo a un caso di integrità del segnale ottima (immagine a sinistra) e un caso di cattiva integrità del segnale (immagine a destra).

Figura 2: Diagramma ad occhio.

Layout del PCB

Per garantire una buona integrità del segnale, occorre concentrarsi sulle tracce con segnali ad alta velocità, in particolare sui percorsi seguiti dai segnali tra il punto di origine e quello di destinazione e sui percorsi di ritorno a massa. Le regole da seguire per ottenere un efficace istradamento dei segnali sono le seguenti:

• evitare sulle tracce gli angoli retti in quanto aumentano le capacità parassite in quella zona, provocando variazioni dell’impedenza e riflessioni del segnale. Preferire invece gli angoli a 45° o, meglio ancora, dei tratti curvi;
• non abusare con l’utilizzo dei fori di via, per le stesse ragioni di cui al punto precedente. Inoltre, essi aumentano la lunghezza della traccia;
• separare i segnali ad elevata velocità da quelli a bassa velocità, come pure i segnali digitali da quelli analogici; sui layer adiacenti, istradare i segnali ad elevata velocità in modo perpendicolare tra loro per ridurre il crosstalk.

Diafonia

La diafonia (crosstalk) si manifesta come un accoppiamento indesiderato (induttivo o capacitivo) tra i segnali che attraversano tracce adiacenti del circuito stampato. Nel caso di segnali ad alta velocità, la diafonia può comportare un degrado significativo della qualità del segnale, che risulta spesso molto difficile da rilevare in modo deterministico e ripetitivo. La soluzione classica a questo problema consiste nel distanziare opportunamente le tracce ad alta frequenza/velocità, utilizzando eventualmente lo spazio intermedio per le tracce meno critiche. Una spaziatura maggiore offre un vantaggio immediato, in quanto gli effetti dell’accoppiamento sono inversamente proporzionali al quadrato della distanza tra le tracce.