引言：傳輸線沿其長(zhǎng)度定義并控制特性阻抗。然而，它們接口的三維結(jié)構(gòu)在信號(hào)路徑上沒有容易定義的或恒定的阻抗。計(jì)算10Gb/s信號(hào)通過這些結(jié)構(gòu)時(shí)所看到的阻抗，需要3D場(chǎng)解算器等軟件工具，而2D場(chǎng)解算器足以計(jì)算傳輸線特性阻抗。PCB設(shè)計(jì)人員可以使用本章中的分析和示例來輔助此類通道的設(shè)計(jì)。本章未涉及的案例可能需要進(jìn)一步仿真和分析。

1.冗余電容和電感

大多數(shù)差分躍遷都是通過電容。P和N路徑相互耦合，增加了電容。許多躍遷在寬頻帶上具有與集總電容相同的頻率響應(yīng)。通過設(shè)計(jì)，增加電感可以抵消這種過剩。 通過設(shè)計(jì)，除了受到密度和物理限制的影響外，在許多情況下，增加電感可以消除這種過剩電容。雖然盲孔、較大間距的焊球和非常小的通孔焊盤等技術(shù)降低了電容，但它們?cè)谠O(shè)計(jì)中并不總是可行的。 時(shí)域反射（TDR）技術(shù)，無論是通過仿真還是測(cè)量，都允許設(shè)計(jì)者識(shí)別過渡過程中的冗余電容或電感。

2.時(shí)域反射法（TDR）

為了進(jìn)行TDR測(cè)量，將階躍輸入應(yīng)用于互連。通過觀察反射信號(hào)，可以確定電壓階躍穿過互連時(shí)所經(jīng)歷的冗余電容或電感的位置和大小。 并聯(lián)電容（見圖1）會(huì)導(dǎo)致阻抗的瞬時(shí)下降，而串聯(lián)電感（見圖2）則會(huì)導(dǎo)致相反方向的阻抗不連續(xù)。Td是通過左側(cè)第一個(gè)傳輸線段的傳播延遲。由于阻抗不連續(xù)而產(chǎn)生的反射波需要2*Td才能返回TDR端口。如果信號(hào)通過傳輸線的傳播速度已知，則可以計(jì)算出沿通道的冗余電容或電感的位置。

圖1、并聯(lián)電容的TDR特征

圖2、串聯(lián)電感的TDR特征 這種冗余電容（C）或電感（L）的大小也可以通過積分躍遷的TDR的歸一化面積從TDR波形中提取反應(yīng)。反應(yīng)電容和電感的相應(yīng)方程式為：

（式1）

（式2）

圖3顯示了歸一化TDR區(qū)域的積分。

圖3、歸一化TDR面積的積分

利用這些方程得到的結(jié)果對(duì)上升時(shí)間變化不敏感，并且對(duì)于仿真TDR測(cè)量是有效的，前提是前后傳輸線非常接近50Ω。然而，對(duì)于實(shí)際測(cè)量，精度非常依賴于Z0。

3.BGA封裝

BGA封裝中的每個(gè)信號(hào)路徑都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以優(yōu)化信號(hào)完整性。支持單端I/O的走線通常設(shè)計(jì)為50Ω的阻抗。支持高速SERDES I/O的走線設(shè)計(jì)為標(biāo)稱100Ω差分阻抗。在設(shè)計(jì)信號(hào)路徑時(shí)要特別小心，以優(yōu)化不連續(xù)性，如焊球和基板過孔，以盡量減少它們對(duì)信號(hào)完整性的影響。采用三維全波電磁解算器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)封裝性能進(jìn)行建模和測(cè)量。

4.SMT焊盤

對(duì)于需要在發(fā)送器和接收器之間進(jìn)行交流耦合的應(yīng)用，在通道中引入SMT焊盤以允許安裝耦合電容器。標(biāo)準(zhǔn)SMT焊盤由于對(duì)附近基準(zhǔn)面的板電容而具有冗余電容。在圖4示例中，一個(gè)5 mil的走線（Z0為50Ω）過渡到一個(gè)0402 SMT焊盤，其寬度為28 mils，全部超過3 mils的FR4。

圖4、5 Mil走線和28 Mil焊盤的2D場(chǎng)解算器分析 在這些尺寸上使用2D場(chǎng)解算器，5mil走線的Z0為50Ω。0402焊盤的Z0為16Ω，因?yàn)楹副P的電容太大，電感太小，導(dǎo)致阻抗小于50Ω。此轉(zhuǎn)換的性能可以通過以下兩種方式之一進(jìn)行優(yōu)化。 第一種方法使走線與焊盤的寬度相同，并將接地層移到層疊中更深的位置，以將過渡段的Z0保持在50Ω。這種方法不需要任何特殊的分析，但由于貼片電容器體的邊緣電容會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。走線密度是有限的，因?yàn)樽呔€現(xiàn)在是28mil寬。 第二種方法，如圖5所示，清除焊盤下方的接地層，從而消除焊盤和接地層之間的板電容引起的大量多余電容。這種技術(shù)允許比第一種方法更大的走線密度，但需要三維場(chǎng)解算器分析或測(cè)量以及幾個(gè)電路板迭代來獲得所需的性能。

圖5、傳輸優(yōu)化 二維場(chǎng)解算器的例子表明，如果清除焊盤走線下的地平面，可以獲得接近50Ω的電阻。然后使用三維場(chǎng)解算器在更大程度上驗(yàn)證該結(jié)果準(zhǔn)確。圖6所示的地平面與二維模擬時(shí)完全相同。在HFSS中使用頻域分析，使用這種技術(shù)可以使回波損耗提高20dB（10x）。

圖6、Pad清除的Ansoft HFSS模型 圖7顯示了0402焊盤結(jié)構(gòu)與線性比例之間的回波損耗比較。

圖7、0402焊盤結(jié)構(gòu)的回波損耗比較 圖8中約-40 dB/decade的斜率與集總電容器的頻率響應(yīng)非常吻合。

圖8、0402焊盤結(jié)構(gòu)在對(duì)數(shù)（頻率）尺度上的回波損耗比較 接下來，使用HFSS中模擬的同一躍遷的仿真測(cè)量，可以通過對(duì)早期頻域分析的S參數(shù)結(jié)果進(jìn)行TDR來測(cè)量該躍遷的時(shí)域性能。 在圖9和圖10中，具有大電容傾角的紅色曲線對(duì)應(yīng)于SMT焊盤，而沒有從下面清除接地層。藍(lán)色曲線顯示，清除接地層可以去除大部分多余的電容。這種改進(jìn)可以用等式1和等式2進(jìn)行量化。

圖9、0402焊盤結(jié)構(gòu)的TDR結(jié)果對(duì)比

圖10、0402焊盤結(jié)構(gòu)的TDR結(jié)果對(duì)比

圖11、接地層完好時(shí)840 fF的過剩電容

圖12、57 fF接地層完整時(shí)的過剩電容

5. 差分過孔

最常見的傳輸是差分過孔，其中信號(hào)對(duì)必須從上帶狀線層或頂部微帶過渡到下帶狀線層或底部微帶。 圖13所示為接地信號(hào)接地（GSSG）型差分通孔。接地過孔連接到層疊中的每個(gè)接地層，而信號(hào)層僅包含入口層和出口層的焊盤。

圖13、差分通孔設(shè)計(jì)示例

GSSG通孔的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是，它允許信號(hào)的返回電流在相應(yīng)信號(hào)通孔附近的接地過孔中流動(dòng)，從而減少過大的電感。信號(hào)路徑在差分信號(hào)的P和N半部分之間也是對(duì)稱的，這對(duì)于控制由于P/N不平衡引起的共模偽影是至關(guān)重要的。

較大的長(zhǎng)方形反焊盤減少過孔體和周圍平面邊緣之間的多余邊緣電容。未使用的焊盤也會(huì)被移除。 一個(gè)好的起點(diǎn)是使用圖13所示的尺寸作為80mil的差分過孔設(shè)計(jì)示例。為了適應(yīng)密度約束或缺乏密度約束，可以相應(yīng)地縮放尺寸，以保持每個(gè)尺寸相對(duì)于其他尺寸的比率。這種縮放保持了差分過孔的阻抗性能，同時(shí)允許總尺寸的變化以更好地適應(yīng)特定應(yīng)用。這些最終尺寸受到可制造性和密度約束的限制。 雖然通孔長(zhǎng)度可以少量改變，以適應(yīng)比80mil更厚或更薄的板示例，但是改變過孔長(zhǎng)度相對(duì)于其他尺寸的比率會(huì)影響過孔的阻抗。對(duì)于差分過孔的這種和其他配置，最好使用三維場(chǎng)解算器工具模擬模型，以確保達(dá)到性能目標(biāo)。

圖14、引腳L11和L6的16層PCB中的差分GSSG過孔 作為一般規(guī)則，P和N路徑在傳輸過程中需要保持相等的長(zhǎng)度。在可能的情況下，通過將信號(hào)穿過過孔的整個(gè)長(zhǎng)度，應(yīng)將通孔存根（sub）長(zhǎng)度保持在最小值。圖5-15所示的分析比較了共模（SCC11）和差分（SDD11）響應(yīng)的S參數(shù)回波損耗。

圖15、比較L11和L6 GSSG過孔的差模和共模損耗的模擬回波損耗

從圖15中的圖表來看，共模響應(yīng)在回波損耗方面差20 dB。與差分響應(yīng)相比，共模響應(yīng)差得多，這就是為什么在進(jìn)入傳輸之前盡可能減少P/N偏差是一個(gè)好主意的原因。60/40的經(jīng)驗(yàn)法則是1 GHz時(shí)40 dB的回波損耗，這意味著60 fF的過剩電容。因?yàn)檫^剩電容是單極響應(yīng)，所以可以使用簡(jiǎn)單的外推規(guī)則。例如，如果返回?fù)p耗移到34 dB，則多余電容將增加一倍。由于GSSG通孔的優(yōu)異性能，即使是長(zhǎng)通孔存根也最多只能使差分通孔的電容增加一倍。

6. P/N交叉過孔

一些收發(fā)器提供獨(dú)立切換發(fā)送和接收信號(hào)對(duì)極性的能力。此功能消除了在板級(jí)交叉P/N信號(hào)的需要，從而顯著增強(qiáng)了信號(hào)完整性。如果可能，應(yīng)避免P/N交叉過孔，并應(yīng)使用收發(fā)器的極性開關(guān)。

7. SMA連接器

設(shè)計(jì)良好的SMA連接器可以減少調(diào)試時(shí)間，并允許在第一次通過時(shí)正確設(shè)計(jì)高性能通道。為了達(dá)到這一性能目標(biāo)，需要對(duì)10Gb/s下性能良好的形狀記憶合金連接器進(jìn)行模擬、設(shè)計(jì)和制造。供應(yīng)商還可以提供設(shè)計(jì)服務(wù)，確保連接器在特定板上正常工作。裝配指南對(duì)于確保連接器與電路板的匹配過程得到良好控制以提供指定的性能至關(guān)重要。

Xilinx使用Rosenberger和其他精密連接器制造商生產(chǎn)的精密SMA連接器，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的性能和上一段中列出的要點(diǎn)。

8. 背板連接器

背板連接器存在許多信號(hào)完整性問題，包括：

P/N信號(hào)偏差

串?dāng)_

連接器引腳導(dǎo)致的短截線

一些連接器制造商不僅提供連接器的參數(shù)、模型和布局指南，還提供設(shè)計(jì)支持、研討會(huì)和教程。

9. 微帶/帶狀線彎曲

當(dāng)差分走線通過90°角時(shí)，外部走線比內(nèi)部走線長(zhǎng)，這會(huì)導(dǎo)致P/N不平衡。即使在一個(gè)單一的走線內(nèi)，信號(hào)電流也有擁抱拐角內(nèi)側(cè)走線的趨勢(shì)，從而進(jìn)一步減少通過彎道的實(shí)際延遲。 為了使P和N路徑之間的傾斜最小化，微帶線或帶狀線中的90°匝被布置為兩個(gè)45°彎曲以提供斜角。添加一個(gè)jog out還允許跟蹤長(zhǎng)度匹配。圖16顯示了走線中的彎曲示例。

圖16、走線中90度轉(zhuǎn)彎的設(shè)計(jì)示例 匝數(shù)增加了電容，因?yàn)?0°角處的走線寬41%。45°轉(zhuǎn)彎時(shí)，差值減小到8%。在30mil的深度上增加平面開孔可以減少多余的電容量。 當(dāng)用緩動(dòng)切口和平面切口仿真這種斜接彎曲時(shí)，減少了多余電容，改善了P/N長(zhǎng)度和相位匹配。如果沒有Jog-out，P/N長(zhǎng)度不匹配為16mil。給定FR4材料，16mil的差異轉(zhuǎn)化為5Ghz下有4.8°的相位失配，或10Gb/s下2.68ps（0.0268ui）。 圖17至圖19顯示，相位失配減少到0.75°，使用緩動(dòng)器和Jog-out，相位失配減少到0.3°。結(jié)合緩動(dòng)和Jog-out的仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的剩余電容減小到65fF。 設(shè)計(jì)人員試圖加寬線路，以補(bǔ)償由于線路分離和耦合不太強(qiáng)烈而增加的特性阻抗。然而，即使沒有加寬線路，轉(zhuǎn)角和Jog-out的組合電容仍然是過電容的，因此緩動(dòng)輸出的非耦合部分不能加寬。

圖5-17：帶有Jog-out的45度轉(zhuǎn)彎的仿真TDR

圖18、帶有Jog-ou的45度轉(zhuǎn)彎的仿真回波損耗

圖5-19：帶有Jog-out的45度轉(zhuǎn)彎的仿真相位響應(yīng)

圖20、45度轉(zhuǎn)彎的測(cè)量TDR，帶和不帶折彎

原文標(biāo)題：Xilinx 7系列FPGA PCB設(shè)計(jì)指導(dǎo)（五）

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