每次串行數據速率提高，其都會(huì )暴露出掩蓋在低速下的問(wèn)題。許多這些問(wèn)題是因為PCB走線(xiàn)、過(guò)孔和連接器中發(fā)生損耗引起的信號完整性下降而造成的。雖然信號完整性問(wèn)題的解決方案有很多，但每種方案都有其自身的缺點(diǎn)。解決這些問(wèn)題的一種應對措施是使用線(xiàn)纜配件取代PCB走線(xiàn)。

 

問(wèn)題是這樣的。服務(wù)器和交換機中使用的電路板通常都很大，它們的一端一般用“開(kāi)箱即用的”I/O銅線(xiàn)或光纖，另一端是背板連線(xiàn)。為了盡可能縮短信號傳輸的總距離，PCB設計人員會(huì )在大約電路板的中心位置放置交換IC（FPGA或ASIC）。當然，將I/O和交換器件靠近擺放可以最大限度地減小兩者間的信號損耗，但會(huì )使從ASIC或FPGA到背板的信號完整性更加糟糕。

 

目前信號基頻為14GHz，由趨膚效應、交織效應、表面粗糙度、過(guò)孔和連接器造成的損耗通常都太大，會(huì )影響可靠通信。即使接收器可以檢測到比發(fā)送端信號幅度低38dB的輸入信號，但信號劣化程度卻常常無(wú)法接受。

 

28Gb/s非歸零信號（NRZ）的時(shí)鐘速率是14GHz。為了有利于減小56Gb/s時(shí)的信號損耗，許多工程師轉用四電平的脈沖幅度調制（PAM4）——這與NRZ相比，指定信號速率下的數據速率可以翻倍。這樣，在14GHz時(shí)鐘速率條件下用PAM4信號可以達到56Gb/s，但這有個(gè)問(wèn)題。PAM4信號的幅度（眼高）只有NRZ信號的三分之一（圖1）。因此在信號損耗和對噪聲的敏感度之間需要達到一個(gè)平衡。

 

圖1：PAM4信號的眼開(kāi)（右）約是NRZ信號高度的三分之一，使得PAM4信號更容易受噪聲影響而出錯。

 

Samtec公司信號完整性部門(mén)首席技術(shù)官Scott McMorrow在其提供的一張電子數據表格中，用列表和圖形形式顯示了Megtron6 PCB材料和28 AWG到36 AWG尺寸的線(xiàn)纜在不同長(cháng)度和從1GHz到50GHz的頻率下的損耗差異（dB）。距離涉及1英寸、12英寸和1米。你可以使用這些數據估計具體設計中的信號損耗大小。

 

為了減輕PCB損耗問(wèn)題，包括Molex、Samtec和TE Connectivity在內的多家連接器公司開(kāi)發(fā)出了能讓信號繞開(kāi)PCB走線(xiàn)的互連方案。這些線(xiàn)纜配件有很多種，取決于具體應用。舉例來(lái)說(shuō)，它們連接I/O（通常是QSFP等光學(xué)模塊）到ASIC、ASIC到背板、電路板到電路板，用于替代相同電路板上的剛性背板和芯片到芯片連接。圖2顯示了一種來(lái)自DesignCon 2017展會(huì )上演示的跳線(xiàn)例子。

 

圖2：跳線(xiàn)配件可以讓信號繞開(kāi)I/O連接器與ASIC或FPGA之間的PCB。Samtec提供直式或直角連接器兩種形式。

 

“與采用PCB走線(xiàn)相比，使用線(xiàn)纜傳輸56Gb/s信號可以將損耗降低大約一半。”TE Connectivity公司系統架構小組專(zhuān)家兼工業(yè)標準部門(mén)經(jīng)理Nathan Tracy表示。圖3比較了幾種PCB材料和兩種尺寸的線(xiàn)纜在不同頻率下的損耗情況。正如你想象的那樣，較粗的30 AWG導線(xiàn)的損耗要比34 AWG導線(xiàn)小。但損耗較低也有不利之處，Molex公司先進(jìn)技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Greg Walz提醒道，較低損耗的導線(xiàn)與較高損耗的導線(xiàn)相比，其抑制反射的性能較低，而反射增加會(huì )提高本底噪聲，這對PAM4編碼來(lái)說(shuō)很關(guān)鍵，特別是在較短長(cháng)度的線(xiàn)纜上。因此你仍然需要平衡損耗與反射和噪聲之間的關(guān)系。

 

圖3：使用這張表格比較PCB材料和導線(xiàn)在不同頻率下的損耗值。

 

用來(lái)繞開(kāi)PCB走線(xiàn)的線(xiàn)纜配件名字有很多，比如Sliver、Firefly和BiPass。本文把這類(lèi)產(chǎn)品稱(chēng)為“跳線(xiàn)”配件。跳線(xiàn)使用直式和直角連接器制成，這些連接器通過(guò)一串通常稱(chēng)之為“twinax”的差分線(xiàn)對連接在一起。圖4顯示了Samtec公司的Eyespeed高性能twinax線(xiàn)纜技術(shù)。

 

圖4：這種twinax線(xiàn)纜由一對導線(xiàn)、一層電介質(zhì)、兩個(gè)金屬屏蔽層和一層護套組成。

 

值得注意的是，導線(xiàn)是并行的，而不是雙絞線(xiàn)。雙絞線(xiàn)通常用于長(cháng)距離線(xiàn)纜，比如電話(huà)線(xiàn)。“雙絞線(xiàn)適用的速度大約到5Gb/s。”Walz指出。絞線(xiàn)可以降低干擾的影響，但在28Gb/s NRZ或56Gb/s PAM4的速度時(shí)，由于時(shí)鐘頻率至少是14GHz，所以需要用一對并行的屏蔽線(xiàn)來(lái)減輕雙絞線(xiàn)遇到的串擾問(wèn)題。“twinax線(xiàn)纜可以將串擾衰減70dB到80dB。”Walz補充道。

 

這些線(xiàn)纜的結構存在差異。圖5顯示了Molex公司BiPass線(xiàn)纜配件的橫截面圖。除了屏蔽層外，Molex還增加了一根連接到參考平面的引流線(xiàn)，用于最大限度減小線(xiàn)纜內部過(guò)多的電荷。圖6顯示了TE Connectivity公司的twinax線(xiàn)纜橫截面圖。

 

圖5：這張橫截面圖顯示了twinax線(xiàn)對、屏蔽層和引流線(xiàn)。

 

圖6：據TE Connectivity公司介紹，該公司的twinax線(xiàn)纜不需要引流線(xiàn)，也不需要第二個(gè)屏蔽層。

 

由于這些線(xiàn)纜傳送的信號具有很高的頻率，因此差分對中的每根導線(xiàn)必須具有相同的長(cháng)度。“每根導線(xiàn)不再是單獨擠壓出來(lái)然后熔接在一起，而是在嚴格的工藝控制之下同時(shí)擠壓出這兩根導線(xiàn)。”Guetig表示，“這樣做可以確保絕緣材料的介電常數保持一致。”這種一致性可以最大程度地減小信號偏斜，即當信號沿著(zhù)這對導線(xiàn)以不同時(shí)間到達終點(diǎn)時(shí)出現的一種狀態(tài)。在14GHz和更高頻率時(shí)，偏斜問(wèn)題很?chē)乐?mdash;—由于導線(xiàn)在PCB的纖維織紋之上或之間經(jīng)過(guò)，這一問(wèn)題會(huì )受到很大的影響。因此，除非差分走線(xiàn)中的兩根導線(xiàn)經(jīng)過(guò)相同的點(diǎn)，否則信號中肯定會(huì )出現偏斜。偏斜在比方10Gb/s（5GHz）時(shí)問(wèn)題還不大。跳線(xiàn)可以最大限度地減小偏斜，因為差分對的兩根線(xiàn)會(huì )同時(shí)經(jīng)過(guò)相同材料，不像PCB走線(xiàn)中可能發(fā)生的偏差。

 

因為這些跳線(xiàn)是線(xiàn)纜配件，所以它們也有連接器。圖7給出了可以安裝到電路板上的一些直式和直角連接器例子。注意面向信號完整性的屏蔽殼。Tracy提醒道，線(xiàn)纜長(cháng)度范圍通常是從約50cm到100cm。圖7右下角的線(xiàn)纜配件包含8根屏蔽的差分對線(xiàn)纜。跳線(xiàn)一般可以提供多組八差分對。

 

圖7：跳線(xiàn)連接到直式和直角連接器再連接到PCB。

 

圖6所示線(xiàn)纜的另一端連接到諸如QSFP模塊的光學(xué)I/O端口，但它們也能通過(guò)各種連接器連接到電路板上的其他地方。圖2所示的線(xiàn)纜配件的一端就是QSFP模塊。在這種應用中，線(xiàn)纜中的導線(xiàn)直接焊接到QSFP模塊上，因此最終信號路徑中沒(méi)有PCB銅走線(xiàn)。線(xiàn)纜還能通過(guò)連接器直接插入I/O模塊。圖8顯示了導線(xiàn)在QSFP模塊內是如何連接的。電路板連接器通過(guò)壓接引腳連接到電路板，它將控制和電源引腳與線(xiàn)纜中的高速信號分離開(kāi)。

 

圖8：在這種配置中，線(xiàn)纜導線(xiàn)直接接進(jìn)I/O模塊。

 

并不是所有跳線(xiàn)配件都需要傳送數據速率為28Gb/s和更高的信號，它們也有數據速率更低的應用。舉例來(lái)說(shuō)，像硬盤(pán)驅動(dòng)器和固態(tài)硬盤(pán)等存儲應用使用的SATA連接速度就是6Gb/s和12Gb/s。針對這些應用，TE Connectivity公司提供了與高速線(xiàn)纜相比成本更低的Sliver線(xiàn)纜配件。圖9顯示了一種能夠傳送56Gb/s信號的線(xiàn)纜配件（上方）和一種面向存儲應用的配件。

 

圖9：圖片上方的線(xiàn)纜一般用于交換機中，并提供光學(xué)模塊與ASIC或FPGA之間的連接。更低成本的線(xiàn)纜（圖片下方）則是面向存儲應用設計。照片是筆者在DesignCon 2017展會(huì )的TE Connectivity展臺上所拍。

 

 

這些線(xiàn)纜配件可以改進(jìn)信號完整性，但它們也需要不同因素的折中，包括成本、靈活性和散熱。如圖3所示，一根30 AWG的導線(xiàn)的阻抗要比34 AWG導線(xiàn)?。ㄒ虼藫p耗更低），用28 AWG的導線(xiàn)還可以獲得更好的性能。對信號完整性來(lái)說(shuō)，導線(xiàn)是“越粗越好”，但隨之帶來(lái)的是價(jià)格問(wèn)題。“較粗的導線(xiàn)的柔韌性比不上較細的導線(xiàn)，而這會(huì )影響電路板的布局，因為較粗的導線(xiàn)柔韌性較差。一根28 AWG twinax線(xiàn)纜和一根34 AWG線(xiàn)纜相比，其硬度差異非常顯著(zhù)——34 AWG線(xiàn)纜的柔韌性非常好。”Samtec公司高速線(xiàn)纜產(chǎn)品部產(chǎn)品與工程經(jīng)理Keith Guetig表示。圖10展示了為什么柔韌性非常重要，特別是在芯片到芯片的連接中。

 

圖10：當在芯片之間使用高速線(xiàn)纜配件時(shí)，柔韌性變成了很重要的考慮因素。

 

Guetig指出，28 AWG的導線(xiàn)傳送28Gb/s NRZ信號時(shí)的長(cháng)度可以超過(guò)1m，而34 AWG的典型應用只能達到50cm或更短。他還指出，密度和柔韌性是采用盡可能細的AWG導線(xiàn)的原因。另外，與較輕的導線(xiàn)相比，使用較重的導線(xiàn)會(huì )限制空氣流動(dòng)。

 

散熱問(wèn)題在設計決策中也扮演著(zhù)重要角色。Guetig指出，在網(wǎng)絡(luò )交換機中使用的I/O卡可能有40個(gè)外部連接，每個(gè)連接都需要有自己的跳接配件。再加上用于控制信號和電源的其他線(xiàn)纜，意味著(zhù)使用跳線(xiàn)很可能使電路板上的線(xiàn)纜配件數量翻倍。這會(huì )顯著(zhù)減少空氣流動(dòng)，使設備變得更熱。圖11顯示了采用34 AWB twinax線(xiàn)纜給包含32個(gè)16差分對QSFP-DD端口的12.8TB/s以太網(wǎng)交換機布線(xiàn)的線(xiàn)纜情況。在這種配置中，使用較粗的導線(xiàn)會(huì )減少空氣流動(dòng)，使其達到出現散熱問(wèn)題的數值。其中每個(gè)差分對使用PAM4傳送56Gb/s信號。

 

圖11：為了保持這種以太網(wǎng)交換機中的熱量處于受控狀態(tài)，要求使用34 AWG的導線(xiàn)。更粗的導線(xiàn)會(huì )給空氣流動(dòng)增加太多的阻礙。

 

在做出設計選擇時(shí)，你必須在你的熱預算中考慮散熱問(wèn)題。最終你會(huì )發(fā)現，在電路板上設計重定時(shí)器，然后只走PCB上的路線(xiàn)是一種較好的選擇。你必須決定器件數量、信號完整性、成本以及設計中的散熱問(wèn)題。如果光波導能夠做到PCB上，那就不需要使用線(xiàn)纜了。但板載光學(xué)連接的實(shí)現似乎還要再等5年甚至更長(cháng)的時(shí)間。

 

 

因為這些跳線(xiàn)配件需要處理今天最高速的信號，所以你需要知道它們在系統中的工作性能如何。幸運的是，你可以利用仿真開(kāi)始設計。線(xiàn)纜供應商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出成熟的測試夾具來(lái)表征這些線(xiàn)纜，然后他們通過(guò)對夾具效應進(jìn)行去嵌入來(lái)測量線(xiàn)纜的特征，再使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀（VNA）來(lái)測量這些配件的響應。供應商會(huì )通過(guò)頻域測量數據生成你在系統仿真時(shí)需要的S參數文件。然后你就可以通過(guò)仿真得到的眼圖，在時(shí)域中查看跳線(xiàn)對信號完整性的影響。如果你想通過(guò)親自測量來(lái)驗證仿真，也可以申請獲取評估板。

 

本文轉載自電子技術(shù)設計。