Con il continuo sviluppo di dispositivi che garantiscono la trasmissione dati ad alta velocità si rende sempre più frequente la necessità di progettare sistemi che supportino tali condizioni. Per quello che concerne la progettazione di circuiti stampati, l’affidabilità di segnali ad alta velocità ci pone di fronte ad un problema importante: il sincronismo dei segnali digitali. Spesso accade che i Bus dati, che consentono appunto il passaggio di informazioni all’interno di un sistema digitale, sia costituito da una serie di linee di trasmissione sincrone, dove il dato deve essere trasmesso e letto nello stesso momento.
A questo punto vanno introdotti due concetti: segnale elettrico digitale e linea di trasmissione.

Un segnale digitale elettrico è costituito da un’ onda quadra variabile nel tempo con Periodo e Frequenza ben definiti. Il segnale si muove tra due unici valori di tensione espressa in (V) Volt, in questo caso 0V e 5V, che possono essere assimilati ai due Livelli logici 0 e 1 di un sistema binario o digitale. La decodifica nel tempo di questa serie di 0 e 1 contiene l’informazione trasmessa. Il Periodo del segnale è il tempo che intercorre tra il presentarsi di due livelli logici identici, mentre la Frequenza è il numero di variazione che il segnale compie nell’unità di tempo e corrisponde numericamente con l’inverso del Periodo.
Cioè vale :

La linea di trasmissione

Una linea di trasmissione di un PCB è costituita da una pista di materiale conduttore (solitamente rame) circondata da materiale isolante (substrato solitamente FR4) con caratteristiche dielettriche caratterizzate da costante dielettrica ℰr.

Si parla di microstrip quando la pista si appoggia sul substrato ma è a contatto con aria, mentre si chiama stripline una pista che è completamente immersa nel dielettrico.
In questi due casi varia la velocità  di trasmissione del segnale lungo la pista.
Si ha che nella microstrip il segnale si propaga a meno delle approssimazioni con una velocità pari a quella della luce.

Nella stripline invece la velocità è ridotta di un fattore:

Propagazione del segnale

All’interno del PCB i segnali elettrici si propagano lungo strutture che sono varianti di linee di trasmissione e che fanno percorsi differenti in lunghezza ma anche per tipologia di percorso (layer che attraversano, numero di vias che percorrono componenti che sfiorano). Intuitivamente due segnali che devono essere sincronizzati, cioè partire ed arrivare allo stesso momento, devono fare due percorsi il più possibile simili.

Con riferimento l’immagine precedente ci sono 4 segnali Q1-Q4 che vengono campionati con una frequenza data dal primo segnale denominato clock. Parlare di sincronia dei quattro segnali in un determinato punto P della Board significa stabilire che partendo da un punto A (trasmettitore) al tempo T0 i segnali devono arrivare al punto P (ricevitore) nello stesso  istante T1 avendo conservato lo stesso stato logico in modo tale che l’informazione rimanga immutata. Per garantire tale requisito è necessario che i quattro segnali lungo il percorso che li porta dal punto Trasmettitore al Ricevitore non subiscano ritardi.
I ritardi tra i quattro segnali possono essere introdotti sostanzialmente in due modi:

1. Differenza di lunghezza tra i percorsi seguiti dai segnali
2. Lungo la linea di trasmissione i segnali incontrano degli elementi induttivi o capacitivi che introducono dei ritardi

In generale possiamo scrivere sulla base delle considerazioni precedenti:

Dove T1 è l’istante di arrivo del segnale, L è la lunghezza del percorso, Vp è la velocità di propagazione del segnale lungo la linea di trasmissione. La relazione precedente non tiene chiaramente conto dei ritardi relativi agli elementi relativi al punto 2), una forma generalizzata sarà pertanto:

Dove la seconda parte della relazione costituisce la sommatoria dei ritardi accumulati lungo il percorso.
Dalla relazione precedente si può dedurre che se i quattro segnali fanno percorsi molto diversi si potrà verificare la situazione in cui, accumulando dei ritardi, non risulteranno essere più sincroni e pertanto l’informazione da essi trasmessa verrà alterata e rendendola inutilizzabile. Questo aspetto sarà tanto  più importante all’aumentare della frequenza del segnale trasmesso. Cioè quando le tempistiche relative alla velocità di commutazione del segnale saranno paragonabili a quelle di propagazione lungo la linea di trasmissione.
La formula precedente semplificata può essere utilizzata per una stima iniziale di eventuali ritardi pericolosi per l’integrità dei segnali, mentre per un calcolo preciso, riferito alla formula con le sommatorie, è necessario utilizzare un Field Solver. Questi software attraverso la risoluzione delle equazioni di Maxwell all’interno del PCB così come è stato progettato, sono in grado di eseguire dei calcoli precisi e simulare quantitativamente eventuali degradazioni del segnale lungo il percorso.
Nell’immagine che segue viene rappresentata graficamente il risultato della simulazione di un segnale rappresentato al trasmettitore ed al ricevitore di un PCB progettato.
 

Il grafico mette in evidenza il tempo necessario al segnale per raggiungere il ricevitore. Questo ritardo risulta essere compatibile con i requisiti necessari per il funzionamento del sistema, pertanto il PCB risulta essere affidabile.
Grazie per l’attenzione, sarò lieto di rispondere ai vostri commenti

Andrea Landonio