如果有一種設(shè)計(jì)不增加成本又能改善信號(hào)質(zhì)量

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(shè)計(jì)中不用增加工藝成本又能很好的改善原設(shè)計(jì)信號(hào)質(zhì)量的辦法哈！
 
有沒有遇到過這么一種情況。進(jìn)行高速串行信號(hào)的布線時(shí)，如果收發(fā)器件都放在TOP層時(shí)，我們?nèi)プ吒咚俨罘中盘?hào)時(shí)一般會(huì)選擇靠下的走線層，因?yàn)檫@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(hào)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(diǎn)高速設(shè)計(jì)理論的朋友們都知道，每走上一層，這位PCB工程師內(nèi)心的糾結(jié)度就會(huì)高一分，因?yàn)檫^孔stub又會(huì)多了10幾mil。就好像下面這個(gè)設(shè)計(jì)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(hào)的話，距離bottom層可能已經(jīng)有近100mil了……
 
當(dāng)然，其實(shí)大家也不需要太慌了，畢竟有一項(xiàng)非常好的加工工藝叫做背鉆，也就是通過從相反方向進(jìn)行二次鉆孔的方式把多余的stub去掉，相信經(jīng)常關(guān)注高速先生的朋友們都對(duì)這項(xiàng)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(diǎn)，那就是背鉆是一項(xiàng)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(duì)于設(shè)計(jì)者是方便的，但是總的成本會(huì)上升。對(duì)于一些注重成本的產(chǎn)品和公司來說，大批量之后這也是一筆很大的費(fèi)用。但是如果高速信號(hào)的速率去到一個(gè)相對(duì)比較高的水平了，不背鉆但又走在靠近TOP層的走線層，整個(gè)項(xiàng)目組都拿不定主意！
 
面對(duì)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(hào)質(zhì)量的困境，國外某知名公司通過一個(gè)創(chuàng)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(diǎn)就是從測試數(shù)據(jù)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(gè)長stub的換層過孔用兩個(gè)短stub的組合過孔來代替，一般來說這兩個(gè)過孔會(huì)是一個(gè)通孔和一個(gè)短stub的孔，這樣就形成了一個(gè)環(huán)回，成功的把一個(gè)長stub的孔變成了短stub，代價(jià)只是增加了一個(gè)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(gè)很美妙的解決方案，但是不知道實(shí)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(duì)比的網(wǎng)絡(luò)，包括了一根原始長stub不背鉆的設(shè)計(jì)，一根長stub背鉆的設(shè)計(jì)和一個(gè)用U-turn方法的設(shè)計(jì)，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(shù)的結(jié)果，從回波損耗和插損損耗的角度來觀察，從結(jié)果看也很符合我們的預(yù)期。
從結(jié)果上看，長stub孔不背鉆，由于stub長度超過80mil，于是會(huì)在相對(duì)低頻的位置（本case在14GHz）產(chǎn)生一個(gè)巨大的諧振點(diǎn)，根據(jù)我們的SI理論，在這個(gè)頻點(diǎn)有-50dB的損耗，那就基本上等于開路。我們最關(guān)注的U-turn和長stub背鉆后的結(jié)果對(duì)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(shè)計(jì)略差一點(diǎn)，但是比起不背鉆的情況卻有了超級(jí)巨大的改善。

按照高速先生的習(xí)慣。這個(gè)時(shí)候肯定會(huì)為一些不太了解S參數(shù)的朋友們送上我們的時(shí)域眼圖對(duì)比結(jié)果。我們分別在上面3組鏈路中驗(yàn)證10Gbps和25Gbps速率的眼圖結(jié)果對(duì)比。

首先我們來看看在3組鏈路中跑10Gbps速率的眼圖結(jié)果。從10Gbps的結(jié)果上可以看到，U-turn和背鉆的結(jié)果非常接近，兩者在性能上并沒有太大的區(qū)別，另外也能看到長stub孔不背鉆的情況下，在10Gbps這個(gè)不算太高的速率上已經(jīng)有明顯的掉隊(duì)，開始差于其他兩種設(shè)計(jì)。

那我們?cè)賮砜纯?5Gbps這樣高速率下的眼圖對(duì)比哈。

在這個(gè)速率下任何的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)都會(huì)體現(xiàn)在眼圖結(jié)果差異上，因此從結(jié)果對(duì)比能看到，U-turn由于還是多了一個(gè)通孔和有一段短stub的過孔，因此這個(gè)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(duì)比長stub孔不背鉆的原始設(shè)計(jì)還是有巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)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(gè)簡單的總結(jié)，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(gè)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(duì)于某些對(duì)成本要求很高的項(xiàng)目和產(chǎn)品來說，可能是一個(gè)很好的福音哈。