高速背板設計需要新的訊號完整性測試方法

背板技術(shù)是現(xiàn)今電信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，背板結(jié)構(gòu)的發(fā)展已經(jīng)將電信系統(tǒng)的頻寬從每秒幾Mb推向了每秒幾Terabit。在追求終極數(shù)據(jù)串流量的過程中，背板內(nèi)的實體層結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵。連接器的接腳密度、通孔根以及布線的走向都是設計師們在控制整個通道內(nèi)超額電抗時所面臨的挑戰(zhàn)。透過采用先進的微孔(microvia)技術(shù)和表面黏著的連接器，數(shù)字設計師就能突破電信系統(tǒng)中的這些障礙。本文將介紹一些在實現(xiàn)和評估背板實體層結(jié)構(gòu)時可用的測試技術(shù)。
如今的電信平臺都依賴于高速串行數(shù)據(jù)傳輸，而數(shù)字設計師們往往將系統(tǒng)能夠達到的性能極限施壓于銅材。隨著超過10Gbps的串行鏈路的增多，訊號完整性問題開始暴露出來，這種訊號完整性問題是在標準數(shù)字設計實驗室中不會遇到的。針對這類高速信道的實體層進行訊號完整性最佳化，會收到驚人的效果。如果采用合適的設計工具和設計方法，我們就能清楚地了解訊號傳輸?shù)幕驹怼?br />

圖1：4端口設備的實例。
最近，為了打破Terabit的界限，網(wǎng)絡交換機和路由器中采用了一種先進的背板技術(shù)。這一成就部份受惠于實體層組件中復雜的設計技術(shù)。設計過程的大部份時間都用在建模、模擬和測量驗證上。利用既具備時域分析能力也具備頻域分析能力的設計工具，我們可以將反射、串擾、阻抗失配和損耗這些復雜的現(xiàn)象直觀地顯示出來。
電信系統(tǒng)實體層總覽
1. 典型的10Gbps電信系統(tǒng)
電信系統(tǒng)通常透過一個開關(guān)構(gòu)造的接口來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，這一接口可用作與基礎(chǔ)接口平行的第二通訊信道。在大多數(shù)高速網(wǎng)絡應用中，基礎(chǔ)接口都用于在每個線路卡上的控制面板處理器之間進行通訊。這個實體層銅接口為訊號完整性工程師設計、開發(fā)和測試網(wǎng)絡組件提出了很多挑戰(zhàn)。高速設計中最具挑戰(zhàn)性也最有趣的一個領(lǐng)域就是背板應用。背板組件造成了一個性能瓶頸，路由器和交換機的性能嚴重受這一瓶頸限制，因此背板應用領(lǐng)域是一個蘊涵豐富的技術(shù)突破和創(chuàng)新機會的領(lǐng)域。
2. 背板是關(guān)鍵的一環(huán)
如今，業(yè)界正努力開發(fā)一個10Gbps以太網(wǎng)絡的背板標準，作為802.3ap標準的一部份。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的以太網(wǎng)絡訊號。如果這個標準問世，那么系統(tǒng)設計師們在設計時就有例可循，從而可以在諸多按照標準進行設計的實體層芯片中進行選擇。
為了達到高速數(shù)據(jù)傳輸目的，新的10Gbps串行訊號傳輸方案的開發(fā)已經(jīng)有了大幅進展，但最終的串行數(shù)據(jù)傳輸率上限很有可能受到實體層背板的訊號完整性問題的限制。要想在整個背板上的芯片到芯片信道上全部實現(xiàn)一個阻抗受控的環(huán)境，需要設計人員十分小心謹慎。而在這樣的通道中，背板連接器則具有關(guān)鍵作用。
3. 先進的背板連接器
為背板連接器設計一個表面黏著的電路板必須滿足很多條件。首先，界面必須十分堅固，足以耐受標準板卡應用所面臨的機械環(huán)境。其次，連接器必須能夠以超過10Gbps的速度傳送數(shù)據(jù)。近期表面黏著(SMT)背板連接器設計已經(jīng)從壓接(press fit)連接器技術(shù)開始有了很大發(fā)展，具備了很多1.5mm x2.5mm接腳柵格之類的機械特性。不同的連接器設計中，主要是SMT訊號接腳的不同和‘C形’接腳浸錫膏(pin-in-paste)接地屏蔽腳的不同。
4. 通孔根會帶來容性負載
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)接口的連接器很可能會引入容性負載，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)來減少通孔根。但這樣勢必會延長設計時間，同時也增加了達到目標訊號完整性性能所需的電路板層數(shù)。
許多電路板設計師在使用壓接型連接器時都會將訊號緊靠PCB底層走線，或者將關(guān)鍵走線進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，就不再需要進行反鉆，因為連接器是安裝在PCB的上表面，訊號則透過盲孔或埋孔傳送。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。
與板卡接口的連接器
當與PTH連接的是SMT組件時，其反射效應會被削弱甚至消除，因為此時懸吊的通孔根很小。不論連接的表面黏著組件是電阻、IC或連接器，電路板與它的接口都必需安排在PCB的外表面上。但當連接的是一個高接腳密度、高速的差分連接器時，不可能將所有的訊號線都布在PCB的外表面上，這時必需另想辦法。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，將訊號線連接到電路板的內(nèi)走線層。
研究設備的性能，包括設備對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質(zhì)量
混合訊號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PTH中沒有接腳插入，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，也滿足電路板廠商對縱橫比的要求。采用這種小通孔，可使訊號性能較標準PTH得到改善，同時相對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，在堆棧PCB層中的任何一層上都能對訊號進行存取，只是存取接近PCB表層的訊號跡線時可能會在訊號通路中引入短樁效應(stubbing effect)。
要用一個小微孔將SMT焊盤連接到電路板內(nèi)部的跡線，這個微孔的直徑還可以更小，因為構(gòu)造微孔的方法比構(gòu)造PTH的機械鉆孔方法更加精確。透過選擇性地堆棧微孔直到電路板中需要的那一層，設計師就能將電通孔根減到最小，從而最佳化訊號性能。
多端口系統(tǒng)的測量
要想理解在一個10Gbps的電信系統(tǒng)中，怎樣描述一個實體層設備的特性，首先我們討論一下多端口系統(tǒng)的測量。圖1的例子是一個4埠設備，從中我們可以看出當兩條相鄰的PCB跡線以單端方式工作時其結(jié)構(gòu)特征。假設這兩條跡線在一個背板上的位置相對較近，他們之間可能存在微弱的交叉耦合。由于這是兩條相互獨立的單端跡線，因此交叉耦合是一種我們不希望的效果，稱之為串擾。
圖1左的矩陣中提供了與這兩條跡線有關(guān)的16個單端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個時域參數(shù)。左邊的每個參數(shù)都可以透過快速傅立葉反變換(IFFT)直接映像到右邊相應的參數(shù)，反之，右邊的參數(shù)也可以透過快速傅立葉變換(FFT)映射到左邊。
如果這兩條跡線是以差分對的方式近距離布置，那么交叉耦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)差分設備的性能。當被測設備具備線性被動的結(jié)構(gòu)時，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)處理并映像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備的性能，包括設備對EMI的易感性和EMI輻射大小。
頻域分析
在考察設備性能時，差分損耗SDD21通常更為直觀。SDD21是差分訊號通過設備時的頻率響應。當頻率較低時，微孔和標準通孔的性能相近。但當頻率較高時，微孔結(jié)構(gòu)對訊號的衰減明顯小于標準通孔。這就意味著微孔的信道結(jié)構(gòu)使得高頻訊號通過時不會被嚴重衰減，其結(jié)果必然導致眼圖張得更開。而標準通孔在高頻時，其衰減要大于微孔。
第二組曲線可能直觀性稍差，但它對我們的分析同樣重要。差分反射損耗(SDD11)所描述的是每個結(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)的低頻帶響應應十分類似。但在12GHz到20GHz的頻率上，標準通孔的反射要高于微孔。反射是由于對阻抗環(huán)境的控制不佳造成的，反射零點之間的距離與結(jié)構(gòu)中諧振腔之間的距離有關(guān)。在標準通孔中，反射零點之間的距離與通孔根的長度有關(guān)。
差分眼圖分析
眼圖是從4埠S參數(shù)綜合得來的。標準的一致性測試方法是透過一個測試訊號產(chǎn)生器和一個帶標準MASK的采樣示波器來進行，從S參數(shù)綜合建構(gòu)眼圖的方法與標準方法是相互關(guān)聯(lián)的。從圖中可以看出，微孔的眼圖即使在20Gbps時都明顯比標準通孔的眼圖張得開。
本文小結(jié)
數(shù)字互連技術(shù)的進步為設計數(shù)據(jù)率等于或高于10Gbps的高速背板創(chuàng)造了很多機會，但要想實現(xiàn)這一目標，設計人員必須對差分傳輸線效應和實體結(jié)構(gòu)對訊號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，條件是在高速串行鏈路內(nèi)正確地實現(xiàn)他們。今天的高速數(shù)字設計工程師必須著眼于未來，采用先進的分析工具，這樣才能繼續(xù)保持電信系統(tǒng)的快速發(fā)展腳步。