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圖1：4埠設(shè)備的實(shí)例。

 

最近，為了打破Terabit的界限，網(wǎng)路交換機(jī)和路由器中采用了一種先進(jìn)的背板技術(shù)。這一成就部份受惠于實(shí)體層元件中復(fù)雜的設(shè)計(jì)技術(shù)。設(shè)計(jì)過(guò)程的大部份時(shí)間都用在建模、模擬和測(cè)量驗(yàn)證上。利用既具備時(shí)域分析能力也具備頻域分析能力的設(shè)計(jì)工具，我們可以將反射、串?dāng)_、阻抗失配和損耗這些復(fù)雜的現(xiàn)象直觀地顯示出來(lái)。

 

電信系統(tǒng)實(shí)體層總覽

1. 典型的10Gbps電信系統(tǒng)

電信系統(tǒng)通常透過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)構(gòu)造的介面來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，這一介面可用作與基礎(chǔ)介面平行的第二通訊通道。在大多數(shù)高速網(wǎng)路應(yīng)用中，基礎(chǔ)介面都用于在每個(gè)線路卡上的控制面板處理器之間進(jìn)行通訊。這個(gè)實(shí)體層銅介面為訊號(hào)完整性工程師設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試網(wǎng)路元件提出了很多挑戰(zhàn)。高速設(shè)計(jì)中最具挑戰(zhàn)性也最有趣的一個(gè)領(lǐng)域就是背板應(yīng)用。背板元件造成了一個(gè)性能瓶頸，路由器和交換機(jī)的性能嚴(yán)重受這一瓶頸限制，因此背板應(yīng)用領(lǐng)域是一個(gè)蘊(yùn)涵豐富的技術(shù)突破和創(chuàng)新機(jī)會(huì)的領(lǐng)域。

 

2. 背板是關(guān)鍵的一環(huán)

如今，業(yè)界正努力開(kāi)發(fā)一個(gè)10Gbps乙太網(wǎng)路的背板標(biāo)準(zhǔn)，作為802.3ap標(biāo)準(zhǔn)的一部份。其目的是利用普通的銅背板，不依靠光介質(zhì)，在線路卡間傳送10Gbps的乙太網(wǎng)路訊號(hào)。如果這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世，那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)就有例可循，從而可以在諸多按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的實(shí)體層晶片中進(jìn)行選擇。

 

為了達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸目的，新的10Gbps串列訊號(hào)傳輸方案的開(kāi)發(fā)已經(jīng)有了大幅進(jìn)展，但最終的串列數(shù)據(jù)傳輸率上限很有可能受到實(shí)體層背板的訊號(hào)完整性問(wèn)題的限制。要想在整個(gè)背板上的晶片到晶片通道上全部實(shí)現(xiàn)一個(gè)阻抗受控的環(huán)境，需要設(shè)計(jì)人員十分小心謹(jǐn)慎。而在這樣的通道中，背板連接器則具有關(guān)鍵作用。

 

3. 先進(jìn)的背板連接器

為背板連接器設(shè)計(jì)一個(gè)表面黏著的電路板必須滿足很多條件。首先，介面必須十分堅(jiān)固，足以耐受標(biāo)準(zhǔn)板卡應(yīng)用所面臨的機(jī)械環(huán)境。其次，連接器必須能夠以超過(guò)10Gbps的速度傳送數(shù)據(jù)。近期表面黏著(SMT)背板連接器設(shè)計(jì)已經(jīng)從壓接(press fit)連接器技術(shù)開(kāi)始有了很大發(fā)展，具備了很多1.5mm x2.5mm接腳柵格之類的機(jī)械特性。不同的連接器設(shè)計(jì)中，主要是SMT訊號(hào)接腳的不同和‘C形’接腳浸錫膏(pin-in-paste)接地屏蔽腳的不同。

 

4. 通孔根會(huì)帶來(lái)容性負(fù)載

要想成功地以10Gbps速度傳輸數(shù)據(jù)，必須減少通孔根的數(shù)量。需要與鍍層通孔(PTH)介面的連接器很可能會(huì)引入容性負(fù)載，這是常用的電路板附件的幾何結(jié)構(gòu)所固有的特性。要解決這一問(wèn)題，必需將最關(guān)鍵的走線布在最靠近PCB底面的地方，或者將通孔管(via barrel)反鉆(back drill)來(lái)減少通孔根。但這樣勢(shì)必會(huì)延長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)也增加了達(dá)到目標(biāo)訊號(hào)完整性性能所需的電路板層數(shù)。

 

許多電路板設(shè)計(jì)師在使用壓接型連接器時(shí)都會(huì)將訊號(hào)緊靠PCB底層走線，或者將關(guān)鍵走線進(jìn)行反鉆以減少通孔根，從而減弱PTH的諧振行為。而有了表面黏著型連接器之后，就不再需要進(jìn)行反鉆，因?yàn)檫B接器是安裝在PCB的上表面，訊號(hào)則透過(guò)盲孔或埋孔傳送。采用這種連接方案之后，系統(tǒng)瓶頸就從連接器轉(zhuǎn)移到PCB材料。

 

與板卡介面的連接器

當(dāng)與PTH連接的是SMT元件時(shí)，其反射效應(yīng)會(huì)被削弱甚至消除，因?yàn)榇藭r(shí)懸吊的通孔根很小。不論連接的表面黏著元件是電阻、IC或連接器，電路板與它的介面都必需安排在PCB的外表面上。但當(dāng)連接的是一個(gè)高接腳密度、高速的差分連接器時(shí)，不可能將所有的訊號(hào)線都布在PCB的外表面上，這時(shí)必需另想辦法。此外，這種高速走線還需要與電路板的內(nèi)走線層連接和相互作用才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所有功能。我們可以采用多種通孔結(jié)構(gòu)，結(jié)合背板連接器，將訊號(hào)線連接到電路板的內(nèi)走線層。

圖2：根據(jù)S參數(shù)能深入研究設(shè)備的性能，包括設(shè)備對(duì)EMI的敏感性和EMI輻射大小。

 

采用表面黏著(SMT)的微孔能夠改善訊號(hào)品質(zhì)

混合訊號(hào)層迭電路板中典型的PTH和微孔結(jié)構(gòu)采用兩種不同的技術(shù)將訊號(hào)從連接器引至PCB線。PTH將SMT焊盤連接到接近PCB下表面的跡線。在這個(gè)PTH中沒(méi)有接腳插入，因此可以將通孔的直徑縮小到一定程度，使之既削弱了電容效應(yīng)，也滿足電路板廠商對(duì)縱橫比的要求。采用這種小通孔，可使訊號(hào)性能較標(biāo)準(zhǔn)PTH得到改善，同時(shí)相對(duì)于更昂貴的通孔方案也節(jié)約了成本。此外，采用全鍍的通孔管之后，在堆迭PCB層中的任何一層上都能對(duì)訊號(hào)進(jìn)行存取，只是存取接近PCB表層的訊號(hào)跡線時(shí)可能會(huì)在訊號(hào)通路中引入短樁效應(yīng)(stubbing effect)。

 

要用一個(gè)小微孔將SMT焊盤連接到電路板內(nèi)部的跡線，這個(gè)微孔的直徑還可以更小，因?yàn)闃?gòu)造微孔的方法比構(gòu)造PTH的機(jī)械鉆孔方法更加精確。透過(guò)選擇性地堆迭微孔直到電路板中需要的那一層，設(shè)計(jì)師就能將電通孔根減到最小，從而最佳化訊號(hào)性能。

 

多埠系統(tǒng)的測(cè)量

要想理解在一個(gè)10Gbps的電信系統(tǒng)中，怎樣描述一個(gè)實(shí)體層設(shè)備的特性，首先我們討論一下多埠系統(tǒng)的測(cè)量。圖1的例子是一個(gè)4埠設(shè)備，從中我們可以看出當(dāng)兩條相鄰的PCB跡線以單端方式工作時(shí)其結(jié)構(gòu)特徵。假設(shè)這兩條跡線在一個(gè)背板上的位置相對(duì)較近，他們之間可能存在微弱的交叉藕合。由于這是兩條相互獨(dú)立的單端跡線，因此交叉藕合是一種我們不希望的效果，稱之為串?dāng)_。

 

圖1左的矩陣中提供了與這兩條跡線有關(guān)的16個(gè)單端S參數(shù)，圖1右的矩陣中則提供了與這兩條跡線有關(guān)的16個(gè)時(shí)域參數(shù)。左邊的每個(gè)參數(shù)都可以透過(guò)快速傅立葉反變換(IFFT)直接映射到右邊相應(yīng)的參數(shù)，反之，右邊的參數(shù)也可以透過(guò)快速傅立葉變換(FFT)映射到左邊。

 

如果這兩條跡線是以差分對(duì)的方式近距離布置，那么交叉藕合正是我們希望的效果，它能夠提供較好的共模抑制，從而有益于系統(tǒng)的EMI性能。

 

單端S參數(shù)到差分S參數(shù)的轉(zhuǎn)換

測(cè)量得到單端S參數(shù)之后，還需要將他們轉(zhuǎn)換為平衡的S參數(shù)，才能展現(xiàn)差分設(shè)備的性能。當(dāng)被測(cè)設(shè)備具備線性被動(dòng)的結(jié)構(gòu)時(shí)，這種特殊條件就使得從單端S參數(shù)到平衡S參數(shù)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換成為可能。PCB跡線、背板、電纜、連接器、IC封裝和其它的互連結(jié)構(gòu)都屬于線性被動(dòng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)線性迭加理論，將圖2左邊矩陣中所有的單端S參數(shù)處理并映射到右邊矩陣中的差分S參數(shù)，然后根據(jù)這些差分S參數(shù)就能深入研究差分設(shè)備的性能，包括設(shè)備對(duì)EMI的易感性和EMI輻射大小。

 

頻域分析

在考察設(shè)備性能時(shí)，差分損耗SDD21通常更為直觀。SDD21是差分訊號(hào)通過(guò)設(shè)備時(shí)的頻率響應(yīng)。當(dāng)頻率較低時(shí)，微孔和標(biāo)準(zhǔn)通孔的性能相近。但當(dāng)頻率較高時(shí)，微孔結(jié)構(gòu)對(duì)訊號(hào)的衰減明顯小于標(biāo)準(zhǔn)通孔。這就意味著微孔的通道結(jié)構(gòu)使得高頻訊號(hào)通過(guò)時(shí)不會(huì)被嚴(yán)重衰減，其結(jié)果必然導(dǎo)致眼圖張得更開(kāi)。而標(biāo)準(zhǔn)通孔在高頻時(shí)，其衰減要大于微孔。

 

第二組曲線可能直觀性稍差，但它對(duì)我們的分析同樣重要。差分反射損耗(SDD11)所描述的是每個(gè)結(jié)構(gòu)中在不同頻率下產(chǎn)生的反射的大小。同樣，兩種通孔結(jié)構(gòu)的低頻帶響應(yīng)應(yīng)十分類似。但在12GHz到20GHz的頻率上，標(biāo)準(zhǔn)通孔的反射要高于微孔。反射是由于對(duì)阻抗環(huán)境的控制不佳造成的，反射零點(diǎn)之間的距離與結(jié)構(gòu)中諧振腔之間的距離有關(guān)。在標(biāo)準(zhǔn)通孔中，反射零點(diǎn)之間的距離與通孔根的長(zhǎng)度有關(guān)。

 

差分眼圖分析

眼圖是從4埠S參數(shù)綜合得來(lái)的。標(biāo)準(zhǔn)的一致性測(cè)試方法是透過(guò)一個(gè)測(cè)試訊號(hào)產(chǎn)生器和一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)MASK的采樣示波器來(lái)進(jìn)行，從S參數(shù)綜合建構(gòu)眼圖的方法與標(biāo)準(zhǔn)方法是相互關(guān)聯(lián)的。從圖中可以看出，微孔的眼圖即使在20Gbps時(shí)都明顯比標(biāo)準(zhǔn)通孔的眼圖張得開(kāi)。

 

本文小結(jié)

數(shù)位互連技術(shù)的進(jìn)步為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)率等于或高于10Gbps的高速背板創(chuàng)造了很多機(jī)會(huì)，但要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)差分傳輸線效應(yīng)和實(shí)體結(jié)構(gòu)對(duì)訊號(hào)完整性的影響有一定了解。有多種PCB結(jié)構(gòu)都能幫助提高數(shù)據(jù)串流量，條件是在高速串列鏈路內(nèi)正確地實(shí)現(xiàn)他們。今天的高速數(shù)位設(shè)計(jì)工程師必須著眼于未來(lái)，采用先進(jìn)的分析工具，這樣才能繼續(xù)保持電信系統(tǒng)的快速發(fā)展腳步。