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    如果有一種設計不增加成本又能改善信號質量

    來源:一博自媒體 時間:2021-11-8 類別:微信自媒體

    公眾號:高速先生
    作者:黃剛

    本文分享一種高速串行PCB設計中不用增加工藝成本又能很好的改善原設計信號質量的辦法哈!
     
    有沒有遇到過這么一種情況。進行高速串行信號的布線時,如果收發器件都放在TOP層時,我們去走高速差分信號時一般會選擇靠下的走線層,因為這樣能擁有比較短的過孔殘樁(以下稱為過孔stub),但是隨著高速信號越來越多,我們靠下的層都用完了,那就只能慢慢的往靠上的層去走了。

    然而稍微懂點高速設計理論的朋友們都知道,每走上一層,這位PCB工程師內心的糾結度就會高一分,因為過孔stub又會多了10幾mil。就好像下面這個設計case一樣,高速線從下面的第22層一直走到了上面第7層,那第7層走高速信號的話,距離bottom層可能已經有近100mil了……
     
    當然,其實大家也不需要太慌了,畢竟有一項非常好的加工工藝叫做背鉆,也就是通過從相反方向進行二次鉆孔的方式把多余的stub去掉,相信經常關注高速先生的朋友們都對這項工藝耳熟能詳了,這里就不展開來解釋了。
    但是大家又需要知道一點,那就是背鉆是一項額外的工序,什么叫額外,也就是在正常工藝流程外額外增加成本的工藝,因此對于設計者是方便的,但是總的成本會上升。對于一些注重成本的產品和公司來說,大批量之后這也是一筆很大的費用。但是如果高速信號的速率去到一個相對比較高的水平了,不背鉆但又走在靠近TOP層的走線層,整個項目組都拿不定主意!
     
    面對這種高速線背鉆都增加成本,不背鉆又由于stub太長不能滿足信號質量的困境,國外某知名公司通過一個創新的方法成功的解決了。高速先生也在一些場合上提到過,它就是“U-turn”!這篇文章的重點就是從測試數據上介紹U-turn的原理和作用。首先我們說說原理,U-turn的核心思想就是通過把一個長stub的換層過孔用兩個短stub的組合過孔來代替,一般來說這兩個過孔會是一個通孔和一個短stub的孔,這樣就形成了一個環回,成功的把一個長stub的孔變成了短stub,代價只是增加了一個通孔而已。例如1到3層的stub孔變成了1到bottom層,再從bottom層打回到3層,這樣使得本來是從3層到bottom的長stub變成了3層到top層的短stub。
    看起來是一個很美妙的解決方案,但是不知道實用性怎么樣呢?高速先生特地用測試板的形式給大家答案。我們做了幾組對比的網絡,包括了一根原始長stub不背鉆的設計,一根長stub背鉆的設計和一個用U-turn方法的設計,如下所示,通過描述的名字大家也能分清楚了吧!
    我們先看看S參數的結果,從回波損耗和插損損耗的角度來觀察,從結果看也很符合我們的預期。
    從結果上看,長stub孔不背鉆,由于stub長度超過80mil,于是會在相對低頻的位置(本case在14GHz)產生一個巨大的諧振點,根據我們的SI理論,在這個頻點有-50dB的損耗,那就基本上等于開路。我們最關注的U-turn和長stub背鉆后的結果對比的話,能看到U-turn的效果的確非常明顯,它僅僅比背鉆的設計略差一點,但是比起不背鉆的情況卻有了超級巨大的改善。

    按照高速先生的習慣。這個時候肯定會為一些不太了解S參數的朋友們送上我們的時域眼圖對比結果。我們分別在上面3組鏈路中驗證10Gbps和25Gbps速率的眼圖結果對比。

    首先我們來看看在3組鏈路中跑10Gbps速率的眼圖結果。從10Gbps的結果上可以看到,U-turn和背鉆的結果非常接近,兩者在性能上并沒有太大的區別,另外也能看到長stub孔不背鉆的情況下,在10Gbps這個不算太高的速率上已經有明顯的掉隊,開始差于其他兩種設計。


    那我們再來看看25Gbps這樣高速率下的眼圖對比哈。

    在這個速率下任何的設計細節都會體現在眼圖結果差異上,因此從結果對比能看到,U-turn由于還是多了一個通孔和有一段短stub的過孔,因此這個差異在25Gbps的眼圖下U-turn和長stub背鉆也拉開了一定的差距,但是U-turn對比長stub孔不背鉆的原始設計還是有巨大的優勢,因為這個時候長stub又不背鉆情況下,眼圖基本為零,也就等同于沒有能量能傳輸過去。

    最后做一個簡單的總結,U-turn的確是一種很好的折中方法,它很好的解決成本和性能之間的矛盾,在一個不太高的速率下(例如10Gbps的速率下)能夠很好的維持性能而不需要額外增加背鉆帶來的成本。對于某些對成本要求很高的項目和產品來說,可能是一個很好的福音哈。


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    文章標簽

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