如果有一种设计不增加成本又能改善信号质量

来源:一博自媒体 时间:2021-11-8 类别:微信自媒体

公众号:高速先生
作者:黄刚

本文分享一种高速串行PCB设计中不用增加工艺成本又能很好的改善原设计信号质量的办法哈!
 
有没有遇到过这么一种情况。进行高速串行信号的布线时,如果收发器件都放在TOP层时,我们去走高速差分信号时一般会选择靠下的走线层,因为这样能拥有比较短的过孔残桩(以下称为过孔stub),但是随着高速信号越来越多,我们靠下的层都用完了,那就只能慢慢的往靠上的层去走了。

然而稍微懂点高速设计理论的朋友们都知道,每走上一层,这位PCB工程师内心的纠结度就会高一分,因为过孔stub又会多了10几mil。就好像下面这个设计case一样,高速线从下面的第22层一直走到了上面第7层,那第7层走高速信号的话,距离bottom层可能已经有近100mil了……
 
当然,其实大家也不需要太慌了,毕竟有一项非常好的加工工艺叫做背钻,也就是通过从相反方向进行二次钻孔的方式把多余的stub去掉,相信经常关注高速先生的朋友们都对这项工艺耳熟能详了,这里就不展开来解释了。
但是大家又需要知道一点,那就是背钻是一项额外的工序,什么叫额外,也就是在正常工艺流程外额外增加成本的工艺,因此对于设计者是方便的,但是总的成本会上升。对于一些注重成本的产品和公司来说,大批量之后这也是一笔很大的费用。但是如果高速信号的速率去到一个相对比较高的水平了,不背钻但又走在靠近TOP层的走线层,整个项目组都拿不定主意!
 
面对这种高速线背钻都增加成本,不背钻又由于stub太长不能满足信号质量的困境,国外某知名公司通过一个创新的方法成功的解决了。高速先生也在一些场合上提到过,它就是“U-turn”!这篇文章的重点就是从测试数据上介绍U-turn的原理和作用。首先我们说说原理,U-turn的核心思想就是通过把一个长stub的换层过孔用两个短stub的组合过孔来代替,一般来说这两个过孔会是一个通孔和一个短stub的孔,这样就形成了一个环回,成功的把一个长stub的孔变成了短stub,代价只是增加了一个通孔而已。例如1到3层的stub孔变成了1到bottom层,再从bottom层打回到3层,这样使得本来是从3层到bottom的长stub变成了3层到top层的短stub。
看起来是一个很美妙的解决方案,但是不知道实用性怎么样呢?高速先生特地用测试板的形式给大家答案。我们做了几组对比的网络,包括了一根原始长stub不背钻的设计,一根长stub背钻的设计和一个用U-turn方法的设计,如下所示,通过描述的名字大家也能分清楚了吧!
我们先看看S参数的结果,从回波损耗和插损损耗的角度来观察,从结果看也很符合我们的预期。
从结果上看,长stub孔不背钻,由于stub长度超过80mil,于是会在相对低频的位置(本case在14GHz)产生一个巨大的谐振点,根据我们的SI理论,在这个频点有-50dB的损耗,那就基本上等于开路。我们最关注的U-turn和长stub背钻后的结果对比的话,能看到U-turn的效果的确非常明显,它仅仅比背钻的设计略差一点,但是比起不背钻的情况却有了超级巨大的改善。

按照高速先生的习惯。这个时候肯定会为一些不太了解S参数的朋友们送上我们的时域眼图对比结果。我们分别在上面3组链路中验证10Gbps和25Gbps速率的眼图结果对比。

首先我们来看看在3组链路中跑10Gbps速率的眼图结果。从10Gbps的结果上可以看到,U-turn和背钻的结果非常接近,两者在性能上并没有太大的区别,另外也能看到长stub孔不背钻的情况下,在10Gbps这个不算太高的速率上已经有明显的掉队,开始差于其他两种设计。


那我们再来看看25Gbps这样高速率下的眼图对比哈。

在这个速率下任何的设计细节都会体现在眼图结果差异上,因此从结果对比能看到,U-turn由于还是多了一个通孔和有一段短stub的过孔,因此这个差异在25Gbps的眼图下U-turn和长stub背钻也拉开了一定的差距,但是U-turn对比长stub孔不背钻的原始设计还是有巨大的优势,因为这个时候长stub又不背钻情况下,眼图基本为零,也就等同于没有能量能传输过去。

最后做一个简单的总结,U-turn的确是一种很好的折中方法,它很好的解决成本和性能之间的矛盾,在一个不太高的速率下(例如10Gbps的速率下)能够很好的维持性能而不需要额外增加背钻带来的成本。对于某些对成本要求很高的项目和产品来说,可能是一个很好的福音哈。


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