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如果有一種設(shè)計(jì)不增加成本又能改善信號(hào)質(zhì)量

發(fā)布時(shí)間:2021-11-08 16:01

作者:一博科技高速先生自媒體成員 黃剛


本文分享一種高速串行PCB設(shè)計(jì)中不用增加工藝成本又能很好的改善原設(shè)計(jì)信號(hào)質(zhì)量的辦法哈!


有沒(méi)有遇到過(guò)這么一種情況。進(jìn)行高速串行信號(hào)的布線時(shí),如果收發(fā)器件都放在TOP層時(shí),我們?nèi)プ吒咚俨罘中盘?hào)時(shí)一般會(huì)選擇靠下的走線層,因?yàn)檫@樣能擁有比較短的過(guò)孔殘樁(以下稱為過(guò)孔stub),但是隨著高速信號(hào)越來(lái)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。


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然而稍微懂點(diǎn)高速設(shè)計(jì)理論的朋友們都知道,每走上一層,這位PCB工程師內(nèi)心的糾結(jié)度就會(huì)高一分,因?yàn)檫^(guò)孔stub又會(huì)多了10幾mil。就好像下面這個(gè)設(shè)計(jì)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(hào)的話,距離bottom層可能已經(jīng)有近100mil了…… 當(dāng)然,其實(shí)大家也不需要太慌了,畢竟有一項(xiàng)非常好的加工工藝叫做背鉆,也就是通過(guò)從相反方向進(jìn)行二次鉆孔的方式把多余的stub去掉,相信經(jīng)常關(guān)注高速先生的朋友們都對(duì)這項(xiàng)工藝耳熟能詳了,這里就不展開來(lái)解釋了。


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但是大家又需要知道一點(diǎn),那就是背鉆是一項(xiàng)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(duì)于設(shè)計(jì)者是方便的,但是總的成本會(huì)上升。對(duì)于一些注重成本的產(chǎn)品和公司來(lái)說(shuō),大批量之后這也是一筆很大的費(fèi)用。但是如果高速信號(hào)的速率去到一個(gè)相對(duì)比較高的水平了,不背鉆但又走在靠近TOP層的走線層,整個(gè)項(xiàng)目組都拿不定主意! 面對(duì)這種高速線背鉆都增加成本,不背鉆又由于stub太長(zhǎng)不能滿足信號(hào)質(zhì)量的困境,國(guó)外某知名公司通過(guò)一個(gè)創(chuàng)新的方法成功的解決了。高速先生也在一些場(chǎng)合上提到過(guò),它就是“U-turn”!這篇文章的重點(diǎn)就是從測(cè)試數(shù)據(jù)上介紹U-turn的原理和作用。首先我們說(shuō)說(shuō)原理,U-turn的核心思想就是通過(guò)把一個(gè)長(zhǎng)stub的換層過(guò)孔用兩個(gè)短stub的組合過(guò)孔來(lái)代替,一般來(lái)說(shuō)這兩個(gè)過(guò)孔會(huì)是一個(gè)通孔和一個(gè)短stub的孔,這樣就形成了一個(gè)環(huán)回,成功的把一個(gè)長(zhǎng)stub的孔變成了短stub,代價(jià)只是增加了一個(gè)通孔而已。例如1到3層的stub孔變成了1到bottom層,再?gòu)腷ottom層打回到3層,這樣使得本來(lái)是從3層到bottom的長(zhǎng)stub變成了3層到top層的短stub。


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看起來(lái)是一個(gè)很美妙的解決方案,但是不知道實(shí)用性怎么樣呢?高速先生特地用測(cè)試板的形式給大家答案。我們做了幾組對(duì)比的網(wǎng)絡(luò),包括了一根原始長(zhǎng)stub不背鉆的設(shè)計(jì),一根長(zhǎng)stub背鉆的設(shè)計(jì)和一個(gè)用U-turn方法的設(shè)計(jì),如下所示,通過(guò)描述的名字大家也能分清楚了吧!


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我們先看看S參數(shù)的結(jié)果,從回波損耗和插損損耗的角度來(lái)觀察,從結(jié)果看也很符合我們的預(yù)期。



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從結(jié)果上看,長(zhǎng)stub孔不背鉆,由于stub長(zhǎng)度超過(guò)80mil,于是會(huì)在相對(duì)低頻的位置(本case在14GHz)產(chǎn)生一個(gè)巨大的諧振點(diǎn),根據(jù)我們的SI理論,在這個(gè)頻點(diǎn)有-50dB的損耗,那就基本上等于開路。我們最關(guān)注的U-turn和長(zhǎng)stub背鉆后的結(jié)果對(duì)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(shè)計(jì)略差一點(diǎn),但是比起不背鉆的情況卻有了超級(jí)巨大的改善。


按照高速先生的習(xí)慣。這個(gè)時(shí)候肯定會(huì)為一些不太了解S參數(shù)的朋友們送上我們的時(shí)域眼圖對(duì)比結(jié)果。我們分別在上面3組鏈路中驗(yàn)證10Gbps和25Gbps速率的眼圖結(jié)果對(duì)比。


首先我們來(lái)看看在3組鏈路中跑10Gbps速率的眼圖結(jié)果。從10Gbps的結(jié)果上可以看到,U-turn和背鉆的結(jié)果非常接近,兩者在性能上并沒(méi)有太大的區(qū)別,另外也能看到長(zhǎng)stub孔不背鉆的情況下,在10Gbps這個(gè)不算太高的速率上已經(jīng)有明顯的掉隊(duì),開始差于其他兩種設(shè)計(jì)。


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那我們?cè)賮?lái)看看25Gbps這樣高速率下的眼圖對(duì)比哈。


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在這個(gè)速率下任何的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)都會(huì)體現(xiàn)在眼圖結(jié)果差異上,因此從結(jié)果對(duì)比能看到,U-turn由于還是多了一個(gè)通孔和有一段短stub的過(guò)孔,因此這個(gè)差異在25Gbps的眼圖下U-turn和長(zhǎng)stub背鉆也拉開了一定的差距,但是U-turn對(duì)比長(zhǎng)stub孔不背鉆的原始設(shè)計(jì)還是有巨大的優(yōu)勢(shì),因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候長(zhǎng)stub又不背鉆情況下,眼圖基本為零,也就等同于沒(méi)有能量能傳輸過(guò)去。


最后做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié),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(gè)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(lái)的成本。對(duì)于某些對(duì)成本要求很高的項(xiàng)目和產(chǎn)品來(lái)說(shuō),可能是一個(gè)很好的福音哈。