都說(shuō)高速信號(hào)過(guò)孔盡量少，高速先生卻說(shuō)有時(shí)候多點(diǎn)反而好？
發(fā)布時(shí)間：2023-02-13 13:59
作者：一博科技高速先生成員 黃剛
過(guò)孔在高速領(lǐng)域可謂讓硬件工程師，PCB設(shè)計(jì)工程師甚至仿真工程師都聞風(fēng)喪膽，首先是因?yàn)樗淖杩箾](méi)法像傳輸線一樣，通過(guò)一些阻抗計(jì)算軟件來(lái)得到，一般來(lái)說(shuō)只能通過(guò)3D仿真來(lái)確定，另外更難的是除了阻抗外，高頻的損耗也根據(jù)過(guò)孔結(jié)構(gòu)的不同差異非常巨大，過(guò)孔上的很多結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同都極其影響過(guò)孔的性能，綜合上面的因素，大家都不想看到一條高速鏈路上出現(xiàn)太多的過(guò)孔。從下圖其實(shí)可以看到，一個(gè)過(guò)孔能優(yōu)化的地方其實(shí)是不少的哈！
要是大家去看一些行業(yè)內(nèi)知名公司的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，在高速串行設(shè)計(jì)上大多都會(huì)有這么一條規(guī)則，那就是嚴(yán)格控制高速串行信號(hào)收發(fā)鏈路中的過(guò)孔數(shù)量，一般給出高速鏈路在收發(fā)芯片之間只能有2個(gè)過(guò)孔，也就是中間就換一次層。
然而對(duì)于見(jiàn)多識(shí)廣的PCB設(shè)計(jì)工程師，他們可能還經(jīng)歷過(guò)以下這種很難拍板的情況。
例如芯片到芯片互連的高速信號(hào)，我們知道，在不背鉆的情況下，應(yīng)該越靠近下層走線，性能會(huì)越好（芯片都在TOP層的情況），但是如果BGA的圈數(shù)比較多，可能用完了靠下的層，只能用靠上的層去走線了，那性能怎么辦？要是超高速的25G以上的信號(hào)，可能直接背鉆就背鉆了，額外花點(diǎn)特殊工藝的費(fèi)用就算了，但是如果速率只是不上不下的10G到12.5G左右呢？如果同時(shí)又是一些對(duì)成本比較敏感的消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品呢？那怎么辦？背鉆還是不背鉆？
感覺(jué)速率沒(méi)有非常高，說(shuō)服不了客戶，甚至說(shuō)服不了自己一定要背鉆，懷了一絲僥幸心理，不背鉆也行。的確是不能往靠下的層去走了，過(guò)孔stub的長(zhǎng)度也的確達(dá)到了一個(gè)技術(shù)上甚至工程師自己心理上的一個(gè)臨界點(diǎn)。說(shuō)到底，就還是成本和性能之間很難去做一個(gè)選擇！
沒(méi)辦法，這個(gè)問(wèn)題估計(jì)只有SI出身的高速先生能夠給你答案了。當(dāng)然，高速先生通過(guò)仿真可以告訴你如果不背鉆和背鉆這兩種情況下的SI性能。但是高速先生還準(zhǔn)備了另外一個(gè)更為折中的選擇方案，就是不背鉆的情況下也能改善性能的做法！當(dāng)然這并不是我們高速先生發(fā)明的設(shè)計(jì)哈，是行業(yè)內(nèi)一家龍頭公司的專(zhuān)利?？梢钥吹?，這是一個(gè)非常巧妙的方法，本來(lái)一個(gè)換層過(guò)孔會(huì)導(dǎo)致很長(zhǎng)的stub（下圖的80mil），通過(guò)在表層再轉(zhuǎn)一次過(guò)孔，就變成了20mil的短stub，當(dāng)然代價(jià)就是多了一個(gè)過(guò)孔。但是達(dá)到的目的是走線層不需要發(fā)生變化，更重要的是不再需要因?yàn)殚L(zhǎng)stub而需要背鉆的工藝了。
當(dāng)然，本系列的話題是通過(guò)仿真來(lái)分享SI的理論，上面的理論說(shuō)的差不多了，那我們繼續(xù)利用我們的3D軟件去建一個(gè)U-turn的case，來(lái)仿真對(duì)比下這個(gè)方法的性能。
我們分別建立三個(gè)用作對(duì)比的3D模型，分別如下：
1，原始的沒(méi)有U-turn設(shè)計(jì)也沒(méi)有背鉆的case，過(guò)孔stub為80mil。
2，原始的沒(méi)有U-turn設(shè)計(jì)，但是進(jìn)行背鉆的case：
3，U-turn的設(shè)計(jì)case：
在保證整體走線長(zhǎng)度相同的情況下，我們通過(guò)3D精確仿真來(lái)看看三種case下的無(wú)源損耗結(jié)果，從頻域的損耗曲線來(lái)看，首先就能找到性能非常差的一根曲線，也就是原始設(shè)計(jì)不背鉆的曲線，它在14GHz左右的時(shí)候有非常巨大的諧振點(diǎn)，在這個(gè)頻點(diǎn)上，基本上和開(kāi)路就沒(méi)什么區(qū)別了。
然后我們重點(diǎn)來(lái)看背鉆和U-turn的效果，從我們把頻段縮小到10GHz的范圍去看，發(fā)現(xiàn)U-turn的損耗的確會(huì)比直接背鉆的case要差一點(diǎn)，但是僅僅是差一點(diǎn)點(diǎn)，對(duì)比不背鉆的還是好了非常多！
恩，那這好一丟丟到底是好多少呢？不背鉆的差很多又到底差了多少呢？很多朋友都對(duì)頻域的損耗曲線看得不是很懂，那我們就換成時(shí)域的眼圖角度給大家再對(duì)比下咯！
我們分別對(duì)三個(gè)case的鏈路發(fā)送一個(gè)12.5Gbps速率的隨機(jī)碼，然后經(jīng)過(guò)鏈路后我們?nèi)タ唇邮斩说难蹐D，從眼圖的指標(biāo)上去看看它們?cè)跁r(shí)域上的差距！
好，唰的一聲，我們就把三個(gè)case的眼圖結(jié)果仿真出來(lái)了，從眼圖的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，不背鉆的情況的確眼圖的結(jié)果差，不僅是眼高差了一截，還有眼寬也差。而對(duì)比背鉆和U-turn的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者僅僅是眼高上有微小的差異，眼寬指標(biāo)幾乎相同。
通過(guò)上述我們對(duì)U-turn方法的介紹和仿真結(jié)果對(duì)比，U-turn的確是在5到10G這個(gè)頻段解決stub偏長(zhǎng)的一個(gè)很好的方法。因?yàn)樵谶@個(gè)頻段的信號(hào)處于對(duì)過(guò)孔stub開(kāi)始變得敏感的階段，但是又沒(méi)到一定需要背鉆的更高頻段的信號(hào)，這個(gè)時(shí)候如果遇到一些對(duì)成本控制比較嚴(yán)格的產(chǎn)品，U-turn無(wú)疑是個(gè)很好的選擇，但是它也并不是信手拈來(lái)般那么好做，首先空間上需要額外的一段走線和一個(gè)過(guò)孔的空間，更重要的是這個(gè)多加的過(guò)孔也是需要一定的優(yōu)化的哦，并不是說(shuō)隨便打個(gè)過(guò)孔就ok，因此使用U-turn時(shí)也必須要有一定的設(shè)計(jì)功底，甚至仿真能力才可以，大家如果真遇到了上述的情況的話，也可以考慮下這個(gè)方法哈！
