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作者: LEE RITCHEY 本文討論的主要內(nèi)容是作為電子元件主要連接方式的差分信號的發(fā)展現(xiàn)狀以及可能影響信號路徑性能的一些因素。在當(dāng)今這個(gè)特定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)都在依靠差分信號傳輸數(shù)據(jù)。如果沒有這種信號傳輸方式，那么我們都極度依賴的互聯(lián)網(wǎng)和大量通信產(chǎn)品將失去活力，或者更準(zhǔn)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(fā)送速率高達(dá)32Gb/S(及以上)的數(shù)據(jù)；壞消息是，或者更準(zhǔn)確地說是行業(yè)面臨的嚴(yán)峻考驗(yàn)，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(shù)據(jù)路徑，因此在設(shè)計(jì)和制造這些數(shù)據(jù)走線時(shí)必須十分小心。破壞走線中數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖兞恐皇瞧?skew)。 從問題的基本點(diǎn)出發(fā)，偏移是指差分對上的兩個(gè)信號的邊沿在到達(dá)差分接收器的端子時(shí)所呈現(xiàn)的錯(cuò)位情況。偏移的后果是很顯然的。當(dāng)上述錯(cuò)位足夠大時(shí)，數(shù)據(jù)路徑中的鏈路可能無法正常工作。 此時(shí)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(gè)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(jù)電壓值判斷數(shù)據(jù)位是1還是0。 * 所設(shè)計(jì)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(xié)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(gè)不同信號的物理長度當(dāng)然不是個(gè)問題，原因如下： * 現(xiàn)代IC技術(shù)能夠保持小至1ps的封裝級對齊精度 * 現(xiàn)代PCB版圖工具和連接器制造技術(shù)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(dāng)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(cuò)位是引起偏移的原因。另外，偏移還可能是兩個(gè)差分信號路徑的速度不同引起的結(jié)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(huì)產(chǎn)生高達(dá)37ps的路徑長度差異。(這要比28Gb/S時(shí)一個(gè)比特的周期還長) * 當(dāng)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(shí)，差分信號線對的速度會(huì)發(fā)生差異。沿著樹脂傳輸?shù)男盘杺鬏斔俣纫斓枚唷?br /> 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(shù)大約是6，樹脂的介電常數(shù)一般不到3。 在路徑長度和信號速度方面發(fā)生的問題主要是由于樹脂中的玻璃纖維增強(qiáng)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(dǎo)線寬度要小于玻璃纖維的間隔(編織間距與導(dǎo)線尺寸的比較請看圖2)，因此一個(gè)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(fā)現(xiàn)14英寸長的差分對可能有高達(dá)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(shù)字編號加以區(qū)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。然而，有關(guān)每個(gè)玻璃纖維束是如何構(gòu)成的卻沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。 * 每個(gè)束可能緊密絞合在一起，或松散開來，但都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。如圖所示，這些束的構(gòu)成方式對高速差分對的質(zhì)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(nèi)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(dǎo)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(dǎo)致高速差分對出現(xiàn)嚴(yán)重的偏移。因此PCB中不應(yīng)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(dǎo)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(huì)引起差分對偏移的幾種編織樣式。 表1總結(jié)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(jié)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(jié)果。
表格中有兩個(gè)I-SPEED IS條目的原因是，第一個(gè)例子是在導(dǎo)線和平面之間使用單層3313玻璃纖維制造的，而第二個(gè)例子是在導(dǎo)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(yīng)的方法有很多，未來我們會(huì)再行討論。 |
