如果有一種設計不增加成本又能改善信號質量
發布時間：2021-11-08 16:01
作者：一博科技高速先生自媒體成員 黃剛
本文分享一種高速串行PCB設計中不用增加工藝成本又能很好的改善原設計信號質量的辦法哈！
有沒有遇到過這么一種情況。進行高速串行信號的布線時，如果收發器件都放在TOP層時，我們去走高速差分信號時一般會選擇靠下的走線層，因為這樣能擁有比較短的過孔殘樁（以下稱為過孔stub），但是隨著高速信號越來越多，我們靠下的層都用完了，那就只能慢慢的往靠上的層去走了。
然而稍微懂點高速設計理論的朋友們都知道，每走上一層，這位PCB工程師內心的糾結度就會高一分，因為過孔stub又會多了10幾mil。就好像下面這個設計case一樣，高速線從下面的第22層一直走到了上面第7層，那第7層走高速信號的話，距離bottom層可能已經有近100mil了…… 當然，其實大家也不需要太慌了，畢竟有一項非常好的加工工藝叫做背鉆，也就是通過從相反方向進行二次鉆孔的方式把多余的stub去掉，相信經常關注高速先生的朋友們都對這項工藝耳熟能詳了，這里就不展開來解釋了。
但是大家又需要知道一點，那就是背鉆是一項額外的工序，什么叫額外，也就是在正常工藝流程外額外增加成本的工藝，因此對于設計者是方便的，但是總的成本會上升。對于一些注重成本的產品和公司來說，大批量之后這也是一筆很大的費用。但是如果高速信號的速率去到一個相對比較高的水平了，不背鉆但又走在靠近TOP層的走線層，整個項目組都拿不定主意！ 面對這種高速線背鉆都增加成本，不背鉆又由于stub太長不能滿足信號質量的困境，國外某知名公司通過一個創新的方法成功的解決了。高速先生也在一些場合上提到過，它就是“U-turn”！這篇文章的重點就是從測試數據上介紹U-turn的原理和作用。首先我們說說原理，U-turn的核心思想就是通過把一個長stub的換層過孔用兩個短stub的組合過孔來代替，一般來說這兩個過孔會是一個通孔和一個短stub的孔，這樣就形成了一個環回，成功的把一個長stub的孔變成了短stub，代價只是增加了一個通孔而已。例如1到3層的stub孔變成了1到bottom層，再從bottom層打回到3層，這樣使得本來是從3層到bottom的長stub變成了3層到top層的短stub。
看起來是一個很美妙的解決方案，但是不知道實用性怎么樣呢？高速先生特地用測試板的形式給大家答案。我們做了幾組對比的網絡，包括了一根原始長stub不背鉆的設計，一根長stub背鉆的設計和一個用U-turn方法的設計，如下所示，通過描述的名字大家也能分清楚了吧！
我們先看看S參數的結果，從回波損耗和插損損耗的角度來觀察，從結果看也很符合我們的預期。
從結果上看，長stub孔不背鉆，由于stub長度超過80mil，于是會在相對低頻的位置（本case在14GHz）產生一個巨大的諧振點，根據我們的SI理論，在這個頻點有-50dB的損耗，那就基本上等于開路。我們最關注的U-turn和長stub背鉆后的結果對比的話，能看到U-turn的效果的確非常明顯，它僅僅比背鉆的設計略差一點，但是比起不背鉆的情況卻有了超級巨大的改善。
按照高速先生的習慣。這個時候肯定會為一些不太了解S參數的朋友們送上我們的時域眼圖對比結果。我們分別在上面3組鏈路中驗證10Gbps和25Gbps速率的眼圖結果對比。
首先我們來看看在3組鏈路中跑10Gbps速率的眼圖結果。從10Gbps的結果上可以看到，U-turn和背鉆的結果非常接近，兩者在性能上并沒有太大的區別，另外也能看到長stub孔不背鉆的情況下，在10Gbps這個不算太高的速率上已經有明顯的掉隊，開始差于其他兩種設計。
那我們再來看看25Gbps這樣高速率下的眼圖對比哈。
在這個速率下任何的設計細節都會體現在眼圖結果差異上，因此從結果對比能看到，U-turn由于還是多了一個通孔和有一段短stub的過孔，因此這個差異在25Gbps的眼圖下U-turn和長stub背鉆也拉開了一定的差距，但是U-turn對比長stub孔不背鉆的原始設計還是有巨大的優勢，因為這個時候長stub又不背鉆情況下，眼圖基本為零，也就等同于沒有能量能傳輸過去。
最后做一個簡單的總結，U-turn的確是一種很好的折中方法，它很好的解決成本和性能之間的矛盾，在一個不太高的速率下（例如10Gbps的速率下）能夠很好的維持性能而不需要額外增加背鉆帶來的成本。對于某些對成本要求很高的項目和產品來說，可能是一個很好的福音哈。
