高速傳輸大量數(shù)據(jù)的需求,帶動(dòng)著USB4、HDMI、Thunderbolt及DisplayPort等高頻連接器相繼問(wèn)世。舉例來(lái)說(shuō),HDMI 2.1在4個(gè)信道上傳輸速度可達(dá)12Gbps;最新USB4規(guī)格讓傳輸速度最快可支持40Gbps,Thunderbolt? 4 埠具有與 Thunderbolt? 3同樣的40Gbps帶寬。當(dāng)訊號(hào)速度持續(xù)加快時(shí),如何降低噪聲干擾成了重要課題。
圖1:HDMI、Thunderbolt及DisplayPort等高頻連接器
現(xiàn)階段,線(xiàn)纜連接器必須克服許多高頻信號(hào)問(wèn)題,包含:衰減(Attenuation)、反射損失(Return Loss)、耦合問(wèn)題(Crosstalk)、阻抗(Impedance)、走線(xiàn)(Trace)以及走線(xiàn)長(zhǎng)度。然而,多少頻率以上稱(chēng)之為高頻呢?400MHz、1GHz、5GHz還是10GHz呢?
如何避免反射波長(zhǎng)
其實(shí),高頻的定義可以看成是否有反射發(fā)生:當(dāng)電磁波在介質(zhì)(空氣或PCB)上傳遞的時(shí)候,如果是連續(xù)介質(zhì),則不會(huì)反射;撞到不連續(xù)介質(zhì)時(shí),若沒(méi)有反射發(fā)生,則該頻率在這個(gè)介質(zhì)上視為低頻;反之,若產(chǎn)生了反射,則視為高頻。因此,我們常常會(huì)聽(tīng)到一種說(shuō)法:「反射與波長(zhǎng)有關(guān)」。
電磁波的傳遞速率又該如何跟波的運(yùn)動(dòng)結(jié)合呢?電磁波在空氣或真空中的傳遞速率為光速
而電磁波在介質(zhì)中傳遞的速率為
因此我們可以用此公式簡(jiǎn)單的算出電磁波在介質(zhì)(例如:電路板)上的傳遞速率。
此時(shí)將波的速率與電磁波的速率公式合并,則可以獲得電磁波在介質(zhì)上傳遞時(shí)的波長(zhǎng):
波的反射概念:傳遞路徑的長(zhǎng)度小于傳遞波長(zhǎng)的 ,在此條件下不會(huì)發(fā)生反射。
簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō),為了避免反射的發(fā)生,我們可以讓在PCB上走的電磁波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)越好( 大于Trace長(zhǎng)度的4倍)。由以上公式可知,降低頻率與降低PCB的相對(duì)介電系數(shù),即可讓波長(zhǎng)變長(zhǎng)。但實(shí)際上因?yàn)閭鬏斝枨?,?shù)據(jù)的傳輸速率無(wú)法隨心所欲地將頻率降低,PCB的介質(zhì)也不可能為1。
另一個(gè)方式:縮短Trace的長(zhǎng)度,讓其長(zhǎng)度小于傳遞波長(zhǎng)的 。或許這個(gè)是個(gè)可行的方法,但是當(dāng)傳輸速率越快又或者高頻組件之間的位置限制,高頻Trace可能會(huì)有需要5~10cm的長(zhǎng)度,縮短Trace長(zhǎng)度又似乎未必可行。
高頻走線(xiàn)與阻抗設(shè)計(jì)
提到電路板的高頻走線(xiàn),就會(huì)想到Trace的阻抗設(shè)計(jì)(Single-End 50Ω或者Differential 100Ω),而上面的說(shuō)明卻都沒(méi)有提到任何的阻抗問(wèn)題?上面所提的重點(diǎn)是:在無(wú)反射的條件下,不管頻率多高,Trace就沒(méi)有阻抗問(wèn)題,亦即不需要做任何阻抗設(shè)計(jì)。
上一段提到,隨傳輸速率越來(lái)越高,縮短Trace 長(zhǎng)度幾乎不可行。因此,拉長(zhǎng)Trace必然會(huì)有反射產(chǎn)生,根據(jù)電磁波理論,不產(chǎn)生反射的另一個(gè)方法就是:Trace阻抗 = 負(fù)載阻抗 = 內(nèi)阻抗。
既然是淺談,就避開(kāi)深?yuàn)W的理論。以這個(gè)概念來(lái)看:Trace阻抗 = 負(fù)載阻抗 = 內(nèi)阻抗,其實(shí)也是符合一開(kāi)始所說(shuō)的:只要是連續(xù)介質(zhì)就不會(huì)有反射發(fā)生。也就是說(shuō),三者阻抗相同,就等于阻抗從頭到尾是連續(xù)的介質(zhì)。
?反射與信號(hào)誤判
為什么不希望反射出現(xiàn)?反射意味著部分能量沒(méi)有被傳遞出去而返回到原處(發(fā)射端)。這好像沒(méi)什么,只要把發(fā)射端的能量再加大滿(mǎn)足接收端所需即可。但實(shí)際上,返回的能量會(huì)從原處再反射一次,因?yàn)椴ㄓ械拥男再|(zhì),二次反射到接收端的波會(huì)與另一個(gè)波迭加,因而產(chǎn)生信號(hào)不完整。以數(shù)字信號(hào)來(lái)看,在接收端原本是1的信號(hào)因此可能變成0,而原本是0的信號(hào)而變成了1,造成了信號(hào)的誤判。
PCB板材挑選攻略
了解了反射所產(chǎn)生的信號(hào)問(wèn)題后,還得挑對(duì)PCB,才能著手設(shè)計(jì)高頻PCB板。較常看到的有兩種PCB板材是FR4 與 Rogers。
PCB中的其中一項(xiàng)參數(shù)——相對(duì)介電系數(shù)左右了信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣
相對(duì)介電系數(shù)與頻率有關(guān),頻率的高低變化伴隨著相對(duì)介電系數(shù)也跟著不同。這代表了甚么呢?由公式可以知道
以及
當(dāng)相對(duì)介電系數(shù)隨頻率高低而改變的時(shí)候,走在PCB板上的電磁波傳遞速率跟著變化、波長(zhǎng)也跟著變化,此即是電磁波理論所提出的色散(Dispersion)現(xiàn)象,這種介質(zhì)稱(chēng)為色散介質(zhì)或色散材料。色散對(duì)傳輸有甚么影響呢?
色散問(wèn)題全面剖析
數(shù)字符信號(hào)是以方波的方式傳遞,也就是0跟1;從單一個(gè)的方波來(lái)看,他是由無(wú)數(shù)個(gè)不同頻率的sin波形成。簡(jiǎn)化來(lái)看,由一個(gè)基本波與兩個(gè)奇次諧波迭加而成:
圖2:一個(gè)基本波與兩個(gè)奇次諧波迭加成數(shù)字方波
當(dāng)三種不同頻率波在PCB Trace上傳遞的時(shí)候,此時(shí)由于相對(duì)介電系數(shù)跟著不同,因此傳遞速率也跟著不同。也就是理想上,三種頻率速度相同,因此傳出到接收端還是一個(gè)完整的方波信號(hào),但實(shí)際上,則不然:三種頻率有各有不同的速率,有的跑得快,有的跑得慢。如果Trace拉得夠長(zhǎng),反而會(huì)讓方波分解成三種頻率的電磁波,并以不同的時(shí)間到達(dá)接收端:
相同的High的信號(hào),卻不同時(shí)間到達(dá),振幅也下降,這會(huì)造成接收端判斷錯(cuò)誤造成誤碼。再者,這只是一個(gè)High的信號(hào),如果后面又接連好幾個(gè)High跟Low信號(hào),而后面速度快的超越了前面速度慢的波,此時(shí)接收端就更無(wú)法判斷數(shù)據(jù)的正確性。
上期說(shuō)過(guò),雖然我們?cè)O(shè)計(jì)了Trace阻抗(single-end 50Ω 或 differential 100Ω),可以讓Trace走很長(zhǎng)也不會(huì)有反射的發(fā)生,但是當(dāng)遇到色散介質(zhì)?∈r?(?f?),也就限制了Trace長(zhǎng)度。因此,即便我們做了阻抗設(shè)計(jì),仍還是希望Trace走線(xiàn)能夠設(shè)計(jì)多短就多短。
FR4與Rogers材料比較
有了相對(duì)介電系數(shù)與色散現(xiàn)象的概念后,現(xiàn)在來(lái)看FR4與Rogers的材料。下圖3是FR4與Rogers的相對(duì)介電系數(shù)對(duì)頻率的變化:
圖3:FR4與Rogers的相對(duì)介電系數(shù)對(duì)頻率的變化
(數(shù)據(jù)源:RO4000? Series High Frequency Circuit Materials DATA SHEET)
由圖3可知,F(xiàn)R4的 ∈r ( f )?對(duì)頻率變化相當(dāng)劇烈,而Rogers(RO開(kāi)頭系列)則穩(wěn)定許多。假設(shè)今天使用的傳輸速率的頻率范圍很寬,例如:PRBS31,那么選擇FR4就必須相當(dāng)注意色散問(wèn)題,若要降低色散問(wèn)題,Trace就要盡可能的短。
大家或許會(huì)說(shuō):為了一勞永逸,干脆直接選擇Rogers板材,問(wèn)題就解決了!這個(gè)答案是正確的,但是因?yàn)镽ogers板材成本很高,所以必須三思。該怎么降低成本、信號(hào)質(zhì)量又該如何維持而能達(dá)到通訊的需求?一直是專(zhuān)業(yè)的Layout工程師思考要如何取得平衡的點(diǎn)。
最后,為什么我們這邊一直沒(méi)有提到 ∈r ( f )?對(duì)Trace阻抗的影響呢?實(shí)質(zhì)上是會(huì)影響的,但是為了避免分析與說(shuō)明太過(guò)于紊亂,因此把阻抗設(shè)計(jì)的問(wèn)題理想化。
PCB板的Layout設(shè)計(jì)
上文說(shuō)明了高頻與電路板之間的關(guān)系,例如如何挑選合適材料又兼顧成本考慮。本篇要來(lái)和大家分享高頻PCB板設(shè)計(jì)的最后一哩路,也就是PCB上面的Layout設(shè)計(jì)。
PCB上的Layout該怎么設(shè)計(jì)呢?大家第一個(gè)反應(yīng)就是:跑模擬。模擬軟件相當(dāng)便利,可節(jié)省不必要的成本與時(shí)間,但是模擬參數(shù)該如何制訂?預(yù)期的模擬結(jié)果該如何計(jì)算?首先須具備核心概念才能著手進(jìn)行Layout設(shè)計(jì),因此本篇短文會(huì)針對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。
3大波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)分析
在制作高頻電路板的時(shí)候,第一個(gè)問(wèn)題就是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的選擇。本篇介紹三種基本的傳輸結(jié)構(gòu):Microstrip、Stripline以及Coplanar Waveguide(共面波導(dǎo))。
Microstrip:架構(gòu)最為簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)單。但由于架構(gòu)簡(jiǎn)單,在相同的PCB基板條件下,能夠變化的物理參數(shù)不多,例如線(xiàn)寬、線(xiàn)厚與基板厚度。
當(dāng)頻率越來(lái)越高,Microstrip還會(huì)有一個(gè)問(wèn)題:Trace上方是空氣?∈eff? = 1,而下方的基材 ?∈eff? ≠ 1,此上下場(chǎng)型會(huì)有不對(duì)稱(chēng)的情況發(fā)生,而使得電磁波場(chǎng)型不對(duì)稱(chēng),在傳輸上對(duì)信號(hào)質(zhì)量會(huì)有影響。
Stripline:結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,上方與下方基材的?∈eff? 可以使用接近基板,使得電磁波的場(chǎng)型完整。另外,Stripline高頻走線(xiàn)相互之間不會(huì)有遠(yuǎn)程串音(FEXT)的影響。
由于走內(nèi)層,需要依靠灌孔與外部零件連接,因此多余via段(稱(chēng)為Stub)會(huì)造成信號(hào)衰減與反射問(wèn)題。減少此問(wèn)題的方法就是使用背鉆或是盲孔,但這又會(huì)導(dǎo)致成本上升。
Coplanar Waveguide:類(lèi)似Microstrip,走線(xiàn)的兩旁用ground包覆(鋪銅導(dǎo)地),形成Waveguide的形狀。而相較于Microstrip,Coplanar Waveguide能夠變化的物理參數(shù)就比較多,例如走線(xiàn)與ground的距離、ground上的via與走線(xiàn)距離。
由于Coplanar Waveguide兩旁是GND,因此可以降低Crosstalk的影響。但在設(shè)計(jì)上有個(gè)瓶頸:當(dāng)應(yīng)用上有密度較高的高頻走線(xiàn)的時(shí)候,例如PCIe,則此結(jié)構(gòu)未必有足夠的空間可以在走線(xiàn)的兩側(cè)鋪銅接地。
本篇PCB技術(shù)淺談,著重在波反射、信號(hào)誤判、板材挑選、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等,事實(shí)上高頻PCB的設(shè)計(jì)與制造還須考慮眾多量測(cè)參數(shù),包含S參數(shù)、串音耦合、PRBS、DC Balance(8B10B)等等,后續(xù)有機(jī)會(huì)將會(huì)繼續(xù)用技術(shù)短文的方式與大家分享。
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