搜索高速電路上過(guò)孔的優(yōu)化（高速電路設(shè)計(jì)工程師不容錯(cuò)過(guò)的基礎(chǔ)知識(shí)）
2017-01-19 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
在邊沿速率是ps級(jí)的高速串行鏈路中,通道任何的阻抗不連續(xù)都會(huì)影響到信號(hào)完整性。通道不連續(xù)的原因很多,其中最常見的一個(gè)就是信號(hào)過(guò)孔。過(guò)孔會(huì)帶來(lái)抖動(dòng),使眼圖變小,最終導(dǎo)致接收端誤碼。
本文討論了傳輸線上過(guò)孔的不連續(xù)性和怎么去減小過(guò)孔的影響。我們經(jīng)常用TDR和全波3D電磁場(chǎng)仿真軟件去評(píng)估過(guò)孔阻抗、插入損耗Insertion Loss和回波損耗Return Loss以及對(duì)信號(hào)帶來(lái)的影響。
Figure1是高速鏈路上典型的差分過(guò)孔。過(guò)孔包括pads,drill,unused pads和anti-pad.下圖中,100ohm的差分線從top層換到layer6,layer6到layer8就留下一個(gè)過(guò)孔殘樁(stub),layer3和layer8還有兩個(gè)NFPs(non-functionalpads).
Figure2是一個(gè)測(cè)試板,我們會(huì)用這個(gè)測(cè)試板去做HFSS建模和測(cè)試的對(duì)比。在top層走了5inch的蛇形線(green),然后換到layer6繼續(xù)走了5inch走線(red). J95~J98是SMA連接器。
Table1列舉了過(guò)孔的尺寸,是一個(gè)常見的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)孔。后續(xù)的仿真會(huì)在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸上做優(yōu)化。
Figure3是測(cè)試板的疊層。Table2是目標(biāo)阻抗是100ohm +/-10%的走線尺寸。在用仿真去優(yōu)化這個(gè)過(guò)孔之前,我們先要去做HFSS過(guò)孔仿真和測(cè)試的校準(zhǔn)。
過(guò)孔有容性和感性效應(yīng)。這些容性感性寄生參數(shù)會(huì)導(dǎo)致通過(guò)過(guò)孔的信號(hào)衰減退化。Figure4是一個(gè)簡(jiǎn)單的L,C集總模型,盡管這個(gè)模型只適用于過(guò)孔時(shí)延小于1/10信號(hào)上升時(shí)間的情況,但它對(duì)于去理解過(guò)孔的感性容性效應(yīng)仍然是有用的。
如果把過(guò)孔看作LC集總模型,它的容值和感值可以通過(guò)以下公式來(lái)計(jì)算:
其中,ε代表介電常數(shù),D1是過(guò)孔pad的尺寸,D2是anti-pad的尺寸,T是PCB的厚度,h是過(guò)孔長(zhǎng)度,d是過(guò)孔孔徑大小。
從式1可以看出來(lái),要想減小過(guò)孔的容性效應(yīng),就要減小過(guò)孔pad,加大anti-pad,類似的,減小過(guò)孔長(zhǎng)度可以減小其感性效應(yīng)。
Figure1的等效模型可以用Figure5的級(jí)聯(lián)模型來(lái)表示。信號(hào)從top層換到layer6,遇到每一個(gè)pad都會(huì)有電容效應(yīng),每一段長(zhǎng)度都會(huì)貢獻(xiàn)電感。在這個(gè)例子中,Cpad1,Cpad3,Cpad6和Cpad8代表了layer1,3,6,8 pad的電容;類似的,L13,L36和L68代表了從layer1到layer3,layer3~layer6,layer6~layer8的過(guò)孔電感。L68和Cpad8表示layer6以下的stub.這些電容、電感和stub的寄生參數(shù)都會(huì)造成信號(hào)的退化。
盡管式1和式2不能直接用在這個(gè)等效模型上,但是減小過(guò)孔電容和電感的方法還是一樣。我們用HFSS作了一些優(yōu)化去評(píng)估過(guò)孔的阻抗和S參數(shù),包括:
減小Cvia:減小pad大小;去掉NFP;加大anti-pad
減小Lvia:去掉stubs;盡量表面布線以減小過(guò)孔長(zhǎng)度或用背鉆。
我們做了以下case的TDR和S參數(shù)的對(duì)比:
1, Layer1 to layer3(long stub)
2, Layer1 to layer6(short stub)
3, Layer1 to layer8(no stub)
Figure6是用TDR測(cè)出的layer1到layer6過(guò)孔的阻抗,我們用這個(gè)過(guò)孔來(lái)做測(cè)試和仿真的校準(zhǔn)。測(cè)試顯示測(cè)試板上的過(guò)孔的奇模阻抗是42.5ohm,如果是對(duì)稱的差分線,其差分阻抗是奇模阻抗的兩倍,也就是85ohm. 這個(gè)過(guò)孔差分阻抗我們仿真出來(lái)的結(jié)果是83ohm(如Figure7)。測(cè)試和仿真結(jié)果一致后,我們就可以放心地用HFSS去做過(guò)孔優(yōu)化了。
Figure 8和9對(duì)比了用HFSS仿真出來(lái)的這三種情況的插損和回?fù)p(Sdd21和Sdd11)
從Figure 7到10可以看出,更長(zhǎng)的過(guò)孔stub會(huì)帶來(lái)更大的阻抗不連續(xù),損耗更大。你可以只在top或bottom布線去避免過(guò)孔stub. 然而由于布線空間制約,EMI的一些考慮等,還是要將走線布在內(nèi)層,這時(shí)時(shí)候就必須去考慮過(guò)孔的優(yōu)化。
如式1和式2,要減小過(guò)孔影響,必須減小Cvia和Lvia。正常來(lái)說(shuō),由于布線空間限制,過(guò)孔pad已經(jīng)做到最小,所以用以下優(yōu)化策略:
1,去除NFP;
2,加大anti-pad尺寸;
3,去掉/減小過(guò)孔殘樁;
Figure10~12對(duì)比了TDR,插損和回?fù)p的仿真結(jié)果,在圖中:
1,“L1 to L6”代表信號(hào)從layer1變換到layer6;
2,“No NFP”代表去除所有的no-functionalpads;
3,“40AP”和“50AP”代表過(guò)孔的anti-pad從標(biāo)準(zhǔn)的30mil加大到40/50mil
另外一個(gè)方法就是在信號(hào)過(guò)孔鄰近加地孔,給過(guò)孔提供一個(gè)好的回流路徑,如Figure13~16所示。加地孔對(duì)阻抗,插損和回?fù)p都有改善:
另外一個(gè)優(yōu)化過(guò)孔的方法就是用背鉆或PCB背面埋孔方式去去除過(guò)孔的殘樁,這種方法的成本比較高。仿真的TDR,IL和RL波形如Figure17~19所示,如果過(guò)孔的stub很長(zhǎng),用背鉆會(huì)有明顯的改善。
過(guò)孔的設(shè)計(jì)一直都是高速設(shè)計(jì)的一個(gè)坎,特別是當(dāng)信號(hào)超過(guò)5GHz的頻率之后,已經(jīng)變得非常難以控制。所以大家在產(chǎn)品正式設(shè)計(jì)時(shí),盡量做好仿真和測(cè)試研究,以便在項(xiàng)目中盡量減少問(wèn)題。
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