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作者: LEE RITCHEY 本文討論的主要內容是作為電子元件主要連接方式的差分信號的發展現狀以及可能影響信號路徑性能的一些因素。在當今這個特定的時間節點上，整個互聯網都在依靠差分信號傳輸數據。如果沒有這種信號傳輸方式，那么我們都極度依賴的互聯網和大量通信產品將失去活力，或者更準確地講無法生存。 好消息是，最新的IC能夠支持在PCB的差分對上發送速率高達32Gb/S(及以上)的數據；壞消息是，或者更準確地說是行業面臨的嚴峻考驗，則是在如此高的速度下，用于制造PCB的疊層中很小的變化都有可能破壞數據路徑，因此在設計和制造這些數據走線時必須十分小心。破壞走線中數據傳輸的變量之一是偏移(skew)。 從問題的基本點出發，偏移是指差分對上的兩個信號的邊沿在到達差分接收器的端子時所呈現的錯位情況。偏移的后果是很顯然的。當上述錯位足夠大時，數據路徑中的鏈路可能無法正常工作。 此時有必要介紹一下差分對的定義以及它們的工作原理： * 差分對是一種信號路徑，有兩個幅度相同但相位相反的信號沿著這兩條路徑傳輸。 * 接收器在其輸入端檢查“差分”電壓值，并根據電壓值判斷數據位是1還是0。 * 所設計的接收器可以忽略信號中的“共模”分量——通常是電壓偏差。這是這種信號協議的主要好處。 圖1是差分對的圖形化描述。 
圖1：差分對的圖形化描述。 匹配兩個不同信號的物理長度當然不是個問題，原因如下： * 現代IC技術能夠保持小至1ps的封裝級對齊精度 * 現代PCB版圖工具和連接器制造技術可能將長度匹配至1ps精度 基于以上這些因素，似乎解決和管理偏移很大程度上是工程技巧。如果不是一些不太明顯的偏移源，情況當然是這樣。 偏移中隱藏的“秘密” 如前所述，差分信號路徑長度的不同或錯位是引起偏移的原因。另外，偏移還可能是兩個差分信號路徑的速度不同引起的結果。在這兩種情況下，影響偏移的因素都是PCB疊層中的玻璃纖維織物。具體地講： * 測量表明，由于疊層中不均勻的玻璃纖維編織形成的14英寸路徑上會產生高達37ps的路徑長度差異。(這要比28Gb/S時一個比特的周期還長) * 當差分對中的一根線沿PCB疊層中的樹脂傳輸、另一根線沿玻璃傳輸時，差分信號線對的速度會發生差異。沿著樹脂傳輸的信號傳輸速度要快得多。 首先，介紹一些基本知識： PCB中的疊層是玻璃纖維和樹脂的一種組合。玻璃纖維的介電常數大約是6，樹脂的介電常數一般不到3。 在路徑長度和信號速度方面發生的問題主要是由于樹脂中的玻璃纖維增強編織方式引起的。較為普通的玻璃纖維編織中的玻璃纖維束是緊密絞合在一起的，因此束與束之間留出的大量空隙需要用樹脂填充。PCB中的平均導線寬度要小于玻璃纖維的間隔(編織間距與導線尺寸的比較請看圖2)，因此一個差分對中的一條線可能有更多的部分在玻璃纖維上、更少的部分在樹脂上，另一條線則相反(樹脂上的部分比玻璃纖維上的多)。基于這些因素，我們發現14英寸長的差分對可能有高達60ps的編織方式引起的偏移。這樣的偏移值對差分信號的性能有很大的影響。 需要考慮的一些因素： * 用于制造PCB的玻璃纖維織物有許多樣式。最常見的玻璃纖維織物樣式如圖2中提供的照片所示。 * 玻璃纖維織物樣式通過數字編號加以區分，如106, 1080, 1067, 1086, 2116, 3313等等。 * 每種樣式對每英寸有多少條線以及線的尺寸是多少都有標準規定。然而，有關每個玻璃纖維束是如何構成的卻沒有相應的標準。 * 每個束可能緊密絞合在一起，或松散開來，但都能滿足標準要求。如圖所示，這些束的構成方式對高速差分對的質量有很大的影響。
圖2：玻璃纖維織物中的不同編織樣式。
圖3：1080玻璃纖維上的阻抗變化。 在上述4種不同編織樣式中，1080玻璃纖維織物是用于搭建4mil內層最常用的樣式。如圖3所示，中心線是50歐姆。上方的線是+10%，下方的線是-10%。這么寬的阻抗變化是由于導線在玻璃纖維束(高Er，低速度和低阻抗)上方和束與束之間(低Er,高速度和高阻抗)交替走線引起的，很容易導致高速差分對出現嚴重的偏移。因此PCB中不應該使用這類信號。
圖4：3313玻璃纖維上的阻抗變化。 如圖4所示，如果將3313玻璃纖維與1080玻璃纖維相比，阻抗變化是非常大的。相比1080玻璃纖維，3313玻璃纖維的阻抗在水平和垂直的編織方向上有更大的不均勻性。這將導致不均勻的Er、速度和很小的偏移。106、1080、2116和7628已被證明是會引起差分對偏移的幾種編織樣式。 表1總結了在采用不同材料制造的多種測試PCB中對不同玻璃纖維織物如何影響偏移性能的評估結果。 表1：采用兩種玻璃纖維織物樣式(3313和8313)制造的7種材料對偏移影響的測試結果。
表格中有兩個I-SPEED IS條目的原因是，第一個例子是在導線和平面之間使用單層3313玻璃纖維制造的，而第二個例子是在導線和平面之間用兩層1035玻璃纖維制造的。 減少編織引起的偏移效應的方法有很多，未來我們會再行討論。 |
