25G高速無源通道的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　圖3：興森快捷高速實(shí)驗(yàn)室25Gbps眼圖實(shí)測：分別對應(yīng)于發(fā)射端、一半通道長度以及接收端測得的眼圖。

　　一旦選定了連接器，其本身的插損也就被確定下來。大多數(shù)背板連接器都采用壓接方式設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)者唯一要做的就是盡可能地優(yōu)化過孔，將過孔的插損減到最小。由于連接器廠商一般會推薦連接器的布局(layout)方式，設(shè)計(jì)者能做的就是將過孔的分支(stub)減至最小，常見的方法有背鉆。除此之外，在實(shí)際的板級設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會遇到表面微帶線轉(zhuǎn)換到帶狀線的做法，針對這種狀況要找出最優(yōu)的過孔實(shí)在不易。因?yàn)檫^孔在高速率下的模型非常復(fù)雜，而影響過孔的主要因素有孔徑、孔深、反焊盤和過孔鍍銅厚度。通常使用仿真軟件仿真不同過孔的S參數(shù)，從而找出最優(yōu)的過孔。另外，過孔性能與頻率相關(guān)。在不同的上升沿下，過孔所表現(xiàn)的性能并不一樣，這時(shí)需要設(shè)計(jì)者對其做出一定的權(quán)衡和取舍。事實(shí)上，仿真和實(shí)測結(jié)果之間一般存在著誤差，并且有時(shí)誤差會相當(dāng)大，這一差異產(chǎn)生的原因是由于實(shí)際制造工藝并不能像仿真時(shí)那樣理想，在信號速率越高時(shí)越是如此。

　　不斷的仿真和測試可以幫助設(shè)計(jì)者找出最優(yōu)的過孔(圖4)。興森快捷公司在CPCA期間展示的100G以太網(wǎng)板，就是經(jīng)過兩版仿真和實(shí)測驗(yàn)證才找出的適合單通道28G速率的信號過孔。如果放在以前，在28G速率時(shí)竟然還能打孔設(shè)計(jì)，這幾乎是天方夜譚。很多公司的設(shè)計(jì)規(guī)范里都有規(guī)定，10G速率的PCB布線不能打孔，這就是因?yàn)檫^孔的參數(shù)特性很難控制，人們?nèi)鄙俦匾氖侄魏蜅l件對其進(jìn)行研究和驗(yàn)證。為此，興森快捷的高速實(shí)驗(yàn)室投入了大量的人力與物力，致力于高速無源鏈路的研究，努力幫助客戶打通高速無源鏈路的設(shè)計(jì)瓶頸。

　　圖4：某板材損耗的仿真和實(shí)測對比：需要進(jìn)行多次仿真修正，才能縮小理論和實(shí)測之間的差距。

　　PCB布線是影響傳輸損耗的另一個(gè)關(guān)鍵因素。線上損耗的主要原因有：趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗、銅箔粗糙度和波纖效應(yīng)，這幾個(gè)因素均和信號的速率相關(guān)。在設(shè)計(jì)的初始階段，設(shè)計(jì)者便會借助軟件來計(jì)算PCB布線的阻抗和損耗。軟件通常都不會單獨(dú)考慮銅箔粗糙度的影響，或者將此影響歸類到趨膚效應(yīng)。而事實(shí)上，銅箔粗糙度和趨膚效應(yīng)存在著區(qū)別。當(dāng)速率達(dá)到10Gbps時(shí)，銅箔粗糙度的影響便不可忽略。經(jīng)過興森快捷的高速實(shí)驗(yàn)室的測試驗(yàn)證，在25Gbps速率下，高粗糙度銅箔所產(chǎn)生的額外損耗往往會比低粗糙度銅箔高出很多。而在PCB制造時(shí)，PCB廠商通常都會默認(rèn)為采用普通銅箔，也就是高粗糙度銅箔，這在高速設(shè)計(jì)時(shí)是常被忽略的地方。因?yàn)橐话愕腜CB工廠都不會去研究銅箔粗糙度的影響，興森快捷公司在這方面所做的研究工作已處于業(yè)界的前列。

　　介質(zhì)的損耗將隨著頻率的升高而越變越大(圖5)，這時(shí)能否找到一款性價(jià)比高的板材將成為成功的關(guān)鍵。因?yàn)椋谌绱烁叩乃俾氏拢词共捎靡郧坝糜?0G BASE KR的改性FR4板材(如 Nelco 4000-13)也將無法滿足要求，更不用說普通的FR4。而業(yè)界原本廣為使用的Megtron 6也因?yàn)槿毡镜卣鸲艿胶艽笥绊懀詫ふ业揭豢羁商娲母哳l板材已迫在眉睫，而新材料的認(rèn)證又需要一個(gè)相對較長的周期(需要做環(huán)境測試、插損測試、眼圖測試和BER測試等)。所要用到的儀器設(shè)備包括：恒溫箱、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或TDR、碼型發(fā)生器、采樣示波器或?qū)崟r(shí)示波器以及BERT等。為了更好地對25Gbps無源通道進(jìn)行量化和建模，興森快捷的高速實(shí)驗(yàn)室對此做了大量的研究工作，找出了性價(jià)比更高的Megtron 6替代板材，目前興森快捷還購買了業(yè)界最大可探測面積的探針臺，10G速率以上的超高速背板及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已變得更加容易。

　　圖5：CEI-25G LR規(guī)范規(guī)定的插損要比10G Base嚴(yán)格很多。10G Base只需要考慮6GHz時(shí)的損耗，而CEI-25G LR則需要考慮12.5GHz時(shí)的損耗。

　　在估算通道損耗時(shí)，一般會認(rèn)為介質(zhì)是均勻的。事實(shí)上不同的疊層會使用不同厚度的PP(聚丙烯)，不同厚度PP的構(gòu)成是不一樣的。PP主要由玻璃纖維和樹脂組成。波纖的經(jīng)緯交叉點(diǎn)和空隙中的樹脂含量不同，這會導(dǎo)致介質(zhì)的不均勻性，主要是波纖交叉點(diǎn)和空隙中的Dk和Df值區(qū)別很大。在最壞情況下，一對差分走線中的一根走在交叉線上，而另一根則走在空隙當(dāng)中，這樣差分對的傳輸延遲和損耗都會不同，這將造成眼圖的閉合和造成EMI。采用Intel推薦的10度角設(shè)計(jì)是一種常規(guī)的解決玻纖效應(yīng)的做法，但這通常被用于10G速率及以下，當(dāng)通道速率達(dá)到25Gbps時(shí)，玻纖效應(yīng)對傳輸線的影響需要被更加嚴(yán)格地進(jìn)行評估。

　　此外，布線的方式也將影響到插損，比如傳輸線是微帶線還是帶狀線。兩者所帶來的損耗大不相同，在頻率越高的情況下區(qū)別會越大。除了損耗，兩種傳輸線周圍的電磁場分布以及傳播特性也不盡相同。總體而言，帶狀線會比微帶線具有更好的性能表現(xiàn)，但前提條件是，必須設(shè)計(jì)出參數(shù)和特性均可控的過孔。

　　所有的影響因素均需要被考慮在內(nèi)，才能符合規(guī)范要求。由于仿真和測試之間存在很大的差異，需要設(shè)計(jì)者不斷修正仿真模型和優(yōu)化算法，并反復(fù)和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，才能得到可信的仿真結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)修正值。