衰減大得離譜，原因竟然是它！?。?/p>
發(fā)布時間：2021-04-19 16:53
作者：高速先生成員--黃剛
高速先生在測試夾具這方面見到過各種各樣的損耗測試結(jié)果,如果讓你想象一根只有幾英寸的PCB走線加上SMA連接器的最差情況下能達(dá)到多大損耗,高速先生測到的結(jié)果一定會超乎你的想象!
讓大家來猜一猜?PCB走線長度大概為2．5inch,在頻率不算很高,就5GHz這個頻點(diǎn)上損耗能有多少?1dB,2dB,5db?好,再猜得夸張一點(diǎn),10dB夠了吧?凡是有過一些SI理論或者測試經(jīng)驗(yàn)又或者是對板材參數(shù)有所了解的小伙伴,都會大致對一根只有2．5inch的走線損耗有自己的預(yù)期范圍。當(dāng)你們覺得你已經(jīng)猜到10dB的損耗,連自己都懷疑自己在說什么的時候,高速先生忍不住告訴你,高速先生測過一根2．5inch的走線損耗超過20dB@5GHz。
但是這個的確真實(shí)的發(fā)生在高速先生面前了。客戶自己設(shè)計的一款芯片測試夾具板,其中芯片的重要輸出管腳通過SMA連接器引出到示波器上進(jìn)行眼圖的測試,速率為10Gbps,也就是基頻是5GHz,測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)眼圖居然閉合,引出來的走線其實(shí)并不長,也就是2．5inch左右?？蛻暨€用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試了同樣是2．5inch的去嵌走線,也就是我們經(jīng)常說的2xthru走線,發(fā)現(xiàn)損耗竟然大得驚人,就是下面這樣的結(jié)果。
高速先生看到這個結(jié)果的確也感到非常的驚訝,客戶也把該夾具板寄過來給我們,我們還沒看PCB設(shè)計時也先進(jìn)行了測試,發(fā)現(xiàn)的確也是這樣的結(jié)果。從高速先生看來,5GHz超過20dB的衰減絕對是不正常的,單純走線的損耗哪怕用最普通的板材也不會有這么大的損耗。
于是我們決定結(jié)合PCB設(shè)計和測試夾具一起看一下。
我們首先看到PCB設(shè)計的2xthru走線就是下面的樣子,兩端是SMA連接器,中間是2．5inch的走線,感覺沒什么特殊的地方。從疊層上看,PCB板子是3mm的板厚。
我們看到走線走到TOP層,然后我們在看看SMA連接器放置的位置,打開絲印層發(fā)現(xiàn),SMA頭也是放在TOP層!也就是和走線是同一面的。
看到這里,高速先生已經(jīng)能想象出損耗超大的原因了。結(jié)合測試夾具再看一下,SMA頭果然按照絲印的方式一樣,焊接在TOP層。最后高速先生再來看一看用到的這款SMA連接器的文檔,看到是一款插針式焊接的連接器,針長達(dá)到4mm。
搜集到以上的信息之后,高速先生可以把謎底給大家揭開了。
根據(jù)模型長的樣子和實(shí)際焊接的情況,我們畫了個如下的示意圖,估計大家一看就會明白問題的所在了!
如果像該測試夾具一樣,從TOP層進(jìn)行焊接,而走線又在TOP層的話,整個板厚和SMA連接器的針長都是該信號的stub,只考慮針長的話,stub也達(dá)到了4mm。根據(jù)我們的反射理論,肯定會對5GHz的信號造成巨大的影響。
為了更直觀的證明這個想法,我們用該SMA連接器的模型模擬板上的走線進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果也能很好的和實(shí)測對應(yīng)起來!
后面我們把結(jié)論和仿真數(shù)據(jù)告訴客戶,客戶表示當(dāng)時可能沒考慮太多信號完整性的問題,只想到了如果走線在TOP層和順便在TOP層焊接SMA連接器,對于識別走線和測試都比較便利。聽到高速先生的結(jié)論后才恍然大悟。
事情本來做到這里,就已經(jīng)很清晰的定位到原因了。高速先生還可以為客戶做得更多一點(diǎn),在目前客戶的這個測試夾具上,看看有沒有辦法在現(xiàn)成的板子上優(yōu)化好。
我們看到目前信號質(zhì)量差是因?yàn)镾MA連接器焊接到表層,STUB達(dá)到針長的4mm造成的,如果我們把SMA連接器從底層焊接呢,效果會怎么樣?
從反過來之后的模型來看,stub就會變得非常的短,這個時候我們先對這個模型做一個仿真,從仿真結(jié)果來看,這根2xthru走線的性能就變得比較理想了。
于是讓客戶重新把表層的SMA取下來,然后從底層進(jìn)行焊接,焊接完成進(jìn)行再次測試后,從芯片引腳發(fā)出來經(jīng)過該夾具的眼圖就變得很好了,也驗(yàn)證了高速先生這個臨時的方法是非常有效的!
最后總結(jié)一下,像本文這個案例,對于10Gbps速率的信號測試而言,本身SMA連接器的選型也是ok的,但是需要注意的是各種stub對信號的影響。像很多朋友之前只會重點(diǎn)關(guān)注走線的stub,過孔的stub的影響,但是SMA連接器本身stub的影響更為隱蔽也更為致命,因此大家在設(shè)計測試夾具和SMA連接器選型的時候一定要引起足夠的重視,特別是應(yīng)用在更高速的測試夾具的場景下,stub的問題往往都是決定該測試項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵!
