本帖最后由 edadoc 于 2023-2-13 15:29 編輯 - n7 e8 ]; m6 l# s
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作者:一博科技高速先生成員 黃剛 過孔在高速領(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]法像傳輸線一樣,通過一些阻抗計(jì)算軟件來得到,一般來說只能通過3D仿真來確定,另外更難的是除了阻抗外,高頻的損耗也根據(jù)過孔結(jié)構(gòu)的不同差異非常巨大,過孔上的很多結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同都極其影響過孔的性能,綜合上面的因素,大家都不想看到一條高速鏈路上出現(xiàn)太多的過孔。從下圖其實(shí)可以看到,一個(gè)過孔能優(yōu)化的地方其實(shí)是不少的哈!
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2023-2-13 15:27 上傳
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)上大多都會有這么一條規(guī)則,那就是嚴(yán)格控制高速串行信號收發(fā)鏈路中的過孔數(shù)量,一般給出高速鏈路在收發(fā)芯片之間只能有2個(gè)過孔,也就是中間就換一次層。' }! q- ~' _6 }6 f
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2023-2-13 15:27 上傳
然而對于見多識廣的PCB設(shè)計(jì)工程師,他們可能還經(jīng)歷過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,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,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)又是一些對成本比較敏感的消費(fèi)類產(chǎn)品呢?那怎么辦?背鉆還是不背鉆?
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2023-2-13 15:27 上傳
感覺速率沒有非常高,說服不了客戶,甚至說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,過孔stub的長度也的確達(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)。說到底,就還是成本和性能之間很難去做一個(gè)選擇!
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2023-2-13 15:27 上傳
沒辦法,這個(gè)問題估計(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)一家龍頭公司的專利?梢钥吹剑@是一個(gè)非常巧妙的方法,本來一個(gè)換層過孔會導(dǎo)致很長的stub(下圖的80mil),通過在表層再轉(zhuǎn)一次過孔,就變成了20mil的短stub,當(dāng)然代價(jià)就是多了一個(gè)過孔。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Lstub而需要背鉆的工藝了。
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2023-2-13 15:27 上傳
當(dāng)然,本系列的話題是通過仿真來分享SI的理論,上面的理論說的差不多了,那我們繼續(xù)利用我們的3D軟件去建一個(gè)U-turn的case,來仿真對比下這個(gè)方法的性能。 我們分別建立三個(gè)用作對比的3D模型,分別如下: 1,原始的沒有U-turn設(shè)計(jì)也沒有背鉆的case,過孔stub為80mil。
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2,原始的沒有U-turn設(shè)計(jì),但是進(jìn)行背鉆的case:
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3,U-turn的設(shè)計(jì)case:
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2023-2-13 15:27 上傳
在保證整體走線長度相同的情況下,我們通過3D精確仿真來看看三種case下的無源損耗結(jié)果,從頻域的損耗曲線來看,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,基本上和開路就沒什么區(qū)別了。
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然后我們重點(diǎn)來看背鉆和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的損耗的確會比直接背鉆的case要差一點(diǎn),但是僅僅是差一點(diǎn)點(diǎn),對比不背鉆的還是好了非常多!
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2023-2-13 15:27 上傳
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比下咯! 我們分別對三個(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)上去看看它們在時(shí)域上的差距!
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( I; q8 U: }2 @% N好,唰的一聲,我們就把三個(gè)case的眼圖結(jié)果仿真出來了,從眼圖的結(jié)果對比來看,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。
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通過上述我們對U-turn方法的介紹和仿真結(jié)果對比,U-turn的確是在5到10G這個(gè)頻段解決stub偏長的一個(gè)很好的方法。因?yàn)樵谶@個(gè)頻段的信號處于對過孔stub開始變得敏感的階段,但是又沒到一定需要背鉆的更高頻段的信號,這個(gè)時(shí)候如果遇到一些對成本控制比較嚴(yán)格的產(chǎn)品,U-turn無疑是個(gè)很好的選擇,但是它也并不是信手拈來般那么好做,首先空間上需要額外的一段走線和一個(gè)過孔的空間,更重要的是這個(gè)多加的過孔也是需要一定的優(yōu)化的哦,并不是說隨便打個(gè)過孔就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!
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