都說高速信號過孔盡量少，高速先生卻說有時候多點反而好？

edadoc · 發(fā)表于 2023-2-13 15:26:05

本帖最后由 edadoc 于 2023-2-13 15:29 編輯

作者：一博科技高速先生成員黃剛

過孔在高速領域可謂讓硬件工程師，pcb設計工程師甚至仿真工程師都聞風喪膽，首先是因為它的阻抗沒法像傳輸線一樣，通過一些阻抗計算軟件來得到，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，高頻的損耗也根據過孔結構的不同差異非常巨大，過孔上的很多結構參數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。從下圖其實可以看到，一個過孔能優(yōu)化的地方其實是不少的哈！

要是大家去看一些行業(yè)內知名公司的設計指導，在高速串行設計上大多都會有這么一條規(guī)則，那就是嚴格控制高速串行信號收發(fā)鏈路中的過孔數量，一般給出高速鏈路在收發(fā)芯片之間只能有2個過孔，也就是中間就換一次層。

然而對于見多識廣的PCB設計工程師，他們可能還經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，額外花點特殊工藝的費用就算了，但是如果速率只是不上不下的10G到12.5G左右呢？如果同時又是一些對成本比較敏感的消費類產品呢？那怎么辦？背鉆還是不背鉆？

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的長度也的確達到了一個技術上甚至工程師自己心理上的一個臨界點。說到底，就還是成本和性能之間很難去做一個選擇！

沒辦法，這個問題估計只有SI出身的高速先生能夠給你答案了。當然，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。但是高速先生還準備了另外一個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！當然這并不是我們高速先生發(fā)明的設計哈，是行業(yè)內一家龍頭公司的專利�？梢钥吹�，這是一個非常巧妙的方法，本來一個換層過孔會導致很長的stub（下圖的80mil），通過在表層再轉一次過孔，就變成了20mil的短stub，當然代價就是多了一個過孔。但是達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為長stub而需要背鉆的工藝了。

當然，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U-turn的case，來仿真對比下這個方法的性能。

我們分別建立三個用作對比的3D模型，分別如下：

1，原始的沒有U-turn設計也沒有背鉆的case，過孔stub為80mil。

2，原始的沒有U-turn設計，但是進行背鉆的case：

3，U-turn的設計case：

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，也就是原始設計不背鉆的曲線，它在14GHz左右的時候有非常巨大的諧振點，在這個頻點上，基本上和開路就沒什么區(qū)別了。

然后我們重點來看背鉆和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，但是僅僅是差一點點，對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？很多朋友都對頻域的損耗曲線看得不是很懂，那我們就換成時域的眼圖角度給大家再對比下咯！

我們分別對三個case的鏈路發(fā)送一個12.5Gbps速率的隨機碼，然后經過鏈路后我們去看接收端的眼圖，從眼圖的指標上去看看它們在時域上的差距！

好，唰的一聲，我們就把三個case的眼圖結果仿真出來了，從眼圖的結果對比來看，不背鉆的情況的確眼圖的結果差，不僅是眼高差了一截，還有眼寬也差。而對比背鉆和U-turn的結果，發(fā)現(xiàn)兩者僅僅是眼高上有微小的差異，眼寬指標幾乎相同。

通過上述我們對U-turn方法的介紹和仿真結果對比，U-turn的確是在5到10G這個頻段解決stub偏長的一個很好的方法。因為在這個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，這個時候如果遇到一些對成本控制比較嚴格的產品，U-turn無疑是個很好的選擇，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過孔的空間，更重要的是這個多加的過孔也是需要一定的優(yōu)化的哦，并不是說隨便打個過孔就ok，因此使用U-turn時也必須要有一定的設計功底，甚至仿真能力才可以，大家如果真遇到了上述的情況的話，也可以考慮下這個方法哈！