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高速背板設計需要新的訊號完整性測試方法

上網時間: 2005年07月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:backplane  背板  telecommunication system  電信系統  connector 

背板技術是現今電信系統的基礎,背板結構的發展已經將電信系統的頻寬從每秒幾Mb推向了每秒幾Terabit。在追求終極數據串流量的過程中,背板內的實體層結構非常關鍵。連接器的接腳密度、通孔根以及佈線的走向都是設計師們在控制整個通道內超額電抗時所面臨的挑戰。透過採用先進的微孔(microvia)技術和表面黏著的連接器,數位設計師就能突破電信系統中的這些障礙。本文將介紹一些在實現和評估背板實體層結構時可用的測試技術。

如今的電信平台都依賴於高速串列數據傳輸,而數位設計師們往往將系統能夠達到的性能極限施壓於銅材。隨著超過10Gbps的串列鏈路的增多,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位設計實驗室中不會遇到的。針對這類高速通道的實體層進行訊號完整性最佳化,會收到驚人的效果。如果採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的基本原理。

圖1:4埠設備的實例。

最近,為了打破Terabit的界限,網路交換機和路由器中採用了一種先進的背板技術。這一成就部份受惠於實體層元件中複雜的設計技術。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複雜的現象直觀地顯示出來。

電信系統實體層總覽

1. 典型的10Gbps電信系統

電信系統通常透過一個開關構造的介面來實現高速數據傳輸,這一介面可用作與基礎介面平行的第二通訊通道。在大多數高速網路應用中,基礎介面都用於在每個線路卡上的控制面板處理器之間進行通訊。這個實體層銅介面為訊號完整性工程師設計、開發和測試網路元件提出了很多挑戰。高速設計中最具挑戰性也最有趣的一個領域就是背板應用。背板元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,因此背板應用領域是一個蘊涵豐富的技術突破和創新機會的領域。

2. 背板是關鍵的一環

如今,業界正努力開發一個10Gbps乙太網路的背板標準,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,在線路卡間傳送10Gbps的乙太網路訊號。如果這個標準問世,那麼系統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晶片中進行選擇。

為了達到高速數據傳輸目的,新的10Gbps串列訊號傳輸方案的開發已經有了大幅進展,但最終的串列數據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晶片到晶片通道上全部實現一個阻抗受控的環境,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,介面必須十分堅固,足以耐受標準板卡應用所面臨的機械環境。其次,連接器必須能夠以超過10Gbps的速度傳送數據。近期表面黏著(SMT)背板連接器設計已經從壓接(press fit)連接器技術開始有了很大發展,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速度傳輸數據,必須減少通孔根的數量。需要與鍍層通孔(PTH)介面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構所固有的特性。要解決這一問題,必需將最關鍵的走線佈在最靠近PCB底面的地方,或者將通孔管(via barrel)反鑽(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。

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,或者將關鍵走線進行反鑽以減少通孔根,從而減弱PTH的諧振行為。而有了表面黏著型連接器之後,就不再需要進行反鑽,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。採用這種連接方案之後,系統瓶頸就從連接器轉移到PCB材料。

與板卡介面的連接器

當與PTH連接的是SMT元件時,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佈在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走線層連接和相互作用才能實現系統的所有功能。我們可以採用多種通孔結構,結合背板連接器,將訊號線連接到電路板的內走線層。

圖2:根據S參數能深入
研究設備的性能,包括設備對EMI的敏
感性和EMI輻射大小。

採用表面黏著(SMT)的微孔能夠改善訊號品質

混合訊號層疊電路板中典型的PTH和微孔結構採用兩種不同的技術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。採用這種小通孔,可使訊號性能較標準PTH得到改善,同時相對於更昂貴的通孔方案也節約了成本。此外,採用全鍍的通孔管之後,在堆疊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部的跡線,這個微孔的直徑還可以更小,因為構造微孔的方法比構造PTH的機械鑽孔方法更加精確。透過選擇性地堆疊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。

多埠系統的測量

要想理解在一個10Gbps的電信系統中,怎樣描述一個實體層設備的特性,首先我們討論一下多埠系統的測量。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構特徵。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。由於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的16個單端S參數,圖1右的矩陣中則提供了與這兩條跡線有關的16個時域參數。左邊的每個參數都可以透過快速傅立葉反變換(IFFT)直接映射到右邊相應的參數,反之,右邊的參數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佈置,那麼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,從而有益於系統的EMI性能。

單端S參數到差分S參數的轉換

測量得到單端S參數之後,還需要將他們轉換為平衡的S參數,才能展現差分設備的性能。當被測設備具備線性被動的結構時,這種特殊條件就使得從單端S參數到平衡S參數的數學轉換成為可能。PCB跡線、背板、電纜、連接器、IC封裝和其它的互連結構都屬於線性被動結構。根據線性疊加理論,將圖2左邊矩陣中所有的單端S參數處理並映射到右邊矩陣中的差分S參數,然後根據這些差分S參數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,微孔結構對訊號的衰減明顯小於標準通孔。這就意味著微孔的通道結構使得高頻訊號通過時不會被嚴重衰減,其結果必然導致眼圖張得更開。而標準通孔在高頻時,其衰減要大於微孔。

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)所描述的是每個結構中在不同頻率下產生的反射的大小。同樣,兩種通孔結構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於微孔。反射是由於對阻抗環境的控制不佳造成的,反射零點之間的距離與結構中諧振腔之間的距離有關。在標準通孔中,反射零點之間的距離與通孔根的長度有關。

差分眼圖分析

眼圖是從4埠S參數綜合得來的。標準的一致性測試方法是透過一個測試訊號產生器和一個帶標準MASK的採樣示波器來進行,從S參數綜合建構眼圖的方法與標準方法是相互關聯的。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

數位互連技術的進步為設計數據率等於或高於10Gbps的高速背板創造了很多機會,但要想實現這一目標,設計人員必須對差分傳輸線效應和實體結構對訊號完整性的影響有一定了解。有多種PCB結構都能幫助提高數據串流量,條件是在高速串列鏈路內正確地實現他們。今天的高速數位設計工程師必須著眼於未來,採用先進的分析工具,這樣才能繼續保持電信系統的快速發展腳步。

作者:Mike Resso


Email: mike resso@agilent.com


Roland M?dinger (?)


Email: RMoedinger@erni.de





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