PCB信号完整性搞不定？教你高速信号跳过PCB走线的方法

每次串行数据速率提高，其都会暴露出掩盖在低速下的问题。许多这些问题是因为PCB走线、过孔和连接器中发生损耗引起的信号完整性下降而造成的。虽然信号完整性问题的解决方案有很多，但每种方案都有其自身的缺点。解决这些问题的一种应对措施是使用线缆配件取代PCB走线。

每次串行数据速率提高，其都会暴露出掩盖在低速下的问题。许多这些问题是因为PCB走线、过孔和连接器中发生损耗引起的信号完整性下降而造成的。虽然信号完整性问题的解决方案有很多，但每种方案都有其自身的缺点。解决这些问题的一种应对措施是使用线缆配件取代PCB走线。

问题是这样的。服务器和交换机中使用的电路板通常都很大，它们的一端一般用“开箱即用的”I/O铜线或光纤，另一端是背板连线。为了尽可能缩短信号传输的总距离，PCB设计人员会在大约电路板的中心位置放置交换IC（FPGA或ASIC）。当然，将I/O和交换器件靠近摆放可以最大限度地减小两者间的信号损耗，但会使从ASIC或FPGA到背板的信号完整性更加糟糕。

目前信号基频为14GHz，由趋肤效应、交织效应、表面粗糙度、过孔和连接器造成的损耗通常都太大，会影响可靠通信。即使接收器可以检测到比发送端信号幅度低38dB的输入信号，但信号劣化程度却常常无法接受。

28Gb/s非归零信号（NRZ）的时钟速率是14GHz。为了有利于减小56Gb/s时的信号损耗，许多工程师转用四电平的脉冲幅度调制（PAM4）——这与NRZ相比，指定信号速率下的数据速率可以翻倍。这样，在14GHz时钟速率条件下用PAM4信号可以达到56Gb/s，但这有个问题。PAM4信号的幅度（眼高）只有NRZ信号的三分之一（图1）。因此在信号损耗和对噪声的敏感度之间需要达到一个平衡。

图1：PAM4信号的眼开（右）约是NRZ信号高度的三分之一，使得PAM4信号更容易受噪声影响而出错。

Samtec公司信号完整性部门首席技术官Scott McMorrow在其提供的一张电子数据表格中，用列表和图形形式显示了Megtron6 PCB材料和28 AWG到36 AWG尺寸的线缆在不同长度和从1GHz到50GHz的频率下的损耗差异（dB）。距离涉及1英寸、12英寸和1米。你可以使用这些数据估计具体设计中的信号损耗大小。

为了减轻PCB损耗问题，包括Molex、Samtec和TE Connectivity在内的多家连接器公司开发出了能让信号绕开PCB走线的互连方案。这些线缆配件有很多种，取决于具体应用。举例来说，它们连接I/O（通常是QSFP等光学模块）到ASIC、ASIC到背板、电路板到电路板，用于替代相同电路板上的刚性背板和芯片到芯片连接。图2显示了一种来自DesignCon 2017展会上演示的跳线例子。

图2：跳线配件可以让信号绕开I/O连接器与ASIC或FPGA之间的PCB。Samtec提供直式或直角连接器两种形式。

“与采用PCB走线相比，使用线缆传输56Gb/s信号可以将损耗降低大约一半。”TE Connectivity公司系统架构小组专家兼工业标准部门经理Nathan Tracy表示。图3比较了几种PCB材料和两种尺寸的线缆在不同频率下的损耗情况。正如你想象的那样，较粗的30 AWG导线的损耗要比34 AWG导线小。但损耗较低也有不利之处，Molex公司先进技术营销经理Greg Walz提醒道，较低损耗的导线与较高损耗的导线相比，其抑制反射的性能较低，而反射增加会提高本底噪声，这对PAM4编码来说很关键，特别是在较短长度的线缆上。因此你仍然需要平衡损耗与反射和噪声之间的关系。

图3：使用这张表格比较PCB材料和导线在不同频率下的损耗值。

用来绕开PCB走线的线缆配件名字有很多，比如Sliver、Firefly和BiPass。本文把这类产品称为“跳线”配件。跳线使用直式和直角连接器制成，这些连接器通过一串通常称之为“twinax”的差分线对连接在一起。图4显示了Samtec公司的Eyespeed高性能twinax线缆技术。

图4：这种twinax线缆由一对导线、一层电介质、两个金属屏蔽层和一层护套组成。

值得注意的是，导线是并行的，而不是双绞线。双绞线通常用于长距离线缆，比如电话线。“双绞线适用的速度大约到5Gb/s。”Walz指出。绞线可以降低干扰的影响，但在28Gb/s NRZ或56Gb/s PAM4的速度时，由于时钟频率至少是14GHz，所以需要用一对并行的屏蔽线来减轻双绞线遇到的串扰问题。“twinax线缆可以将串扰衰减70dB到80dB。”Walz补充道。

这些线缆的结构存在差异。图5显示了Molex公司BiPass线缆配件的横截面图。除了屏蔽层外，Molex还增加了一根连接到参考平面的引流线，用于最大限度减小线缆内部过多的电荷。图6显示了TE Connectivity公司的twinax线缆横截面图。

图5：这张横截面图显示了twinax线对、屏蔽层和引流线。

图6：据TE Connectivity公司介绍，该公司的twinax线缆不需要引流线，也不需要第二个屏蔽层。

由于这些线缆传送的信号具有很高的频率，因此差分对中的每根导线必须具有相同的长度。“每根导线不再是单独挤压出来然后熔接在一起，而是在严格的工艺控制之下同时挤压出这两根导线。”Guetig表示，“这样做可以确保绝缘材料的介电常数保持一致。”这种一致性可以最大程度地减小信号偏斜，即当信号沿着这对导线以不同时间到达终点时出现的一种状态。在14GHz和更高频率时，偏斜问题很严重——由于导线在PCB的纤维织纹之上或之间经过，这一问题会受到很大的影响。因此，除非差分走线中的两根导线经过相同的点，否则信号中肯定会出现偏斜。偏斜在比方10Gb/s（5GHz）时问题还不大。跳线可以最大限度地减小偏斜，因为差分对的两根线会同时经过相同材料，不像PCB走线中可能发生的偏差。

因为这些跳线是线缆配件，所以它们也有连接器。图7给出了可以安装到电路板上的一些直式和直角连接器例子。注意面向信号完整性的屏蔽壳。Tracy提醒道，线缆长度范围通常是从约50cm到100cm。图7右下角的线缆配件包含8根屏蔽的差分对线缆。跳线一般可以提供多组八差分对。

图7：跳线连接到直式和直角连接器再连接到PCB。

图6所示线缆的另一端连接到诸如QSFP模块的光学I/O端口，但它们也能通过各种连接器连接到电路板上的其他地方。图2所示的线缆配件的一端就是QSFP模块。在这种应用中，线缆中的导线直接焊接到QSFP模块上，因此最终信号路径中没有PCB铜走线。线缆还能通过连接器直接插入I/O模块。图8显示了导线在QSFP模块内是如何连接的。电路板连接器通过压接引脚连接到电路板，它将控制和电源引脚与线缆中的高速信号分离开。

图8：在这种配置中，线缆导线直接接进I/O模块。

并不是所有跳线配件都需要传送数据速率为28Gb/s和更高的信号，它们也有数据速率更低的应用。举例来说，像硬盘驱动器和固态硬盘等存储应用使用的SATA连接速度就是6Gb/s和12Gb/s。针对这些应用，TE Connectivity公司提供了与高速线缆相比成本更低的Sliver线缆配件。图9显示了一种能够传送56Gb/s信号的线缆配件（上方）和一种面向存储应用的配件。

图9：图片上方的线缆一般用于交换机中，并提供光学模块与ASIC或FPGA之间的连接。更低成本的线缆（图片下方）则是面向存储应用设计。照片是笔者在DesignCon 2017展会的TE Connectivity展台上所拍。

设计折中

这些线缆配件可以改进信号完整性，但它们也需要不同因素的折中，包括成本、灵活性和散热。如图3所示，一根30 AWG的导线的阻抗要比34 AWG导线小（因此损耗更低），用28 AWG的导线还可以获得更好的性能。对信号完整性来说，导线是“越粗越好”，但随之带来的是价格问题。“较粗的导线的柔韧性比不上较细的导线，而这会影响电路板的布局，因为较粗的导线柔韧性较差。一根28 AWG twinax线缆和一根34 AWG线缆相比，其硬度差异非常显著——34 AWG线缆的柔韧性非常好。”Samtec公司高速线缆产品部产品与工程经理Keith Guetig表示。图10展示了为什么柔韧性非常重要，特别是在芯片到芯片的连接中。

图10：当在芯片之间使用高速线缆配件时，柔韧性变成了很重要的考虑因素。

Guetig指出，28 AWG的导线传送28Gb/s NRZ信号时的长度可以超过1m，而34 AWG的典型应用只能达到50cm或更短。他还指出，密度和柔韧性是采用尽可能细的AWG导线的原因。另外，与较轻的导线相比，使用较重的导线会限制空气流动。

散热问题在设计决策中也扮演着重要角色。Guetig指出，在网络交换机中使用的I/O卡可能有40个外部连接，每个连接都需要有自己的跳接配件。再加上用于控制信号和电源的其他线缆，意味着使用跳线很可能使电路板上的线缆配件数量翻倍。这会显著减少空气流动，使设备变得更热。图11显示了采用34 AWB twinax线缆给包含32个16差分对QSFP-DD端口的12.8TB/s以太网交换机布线的线缆情况。在这种配置中，使用较粗的导线会减少空气流动，使其达到出现散热问题的数值。其中每个差分对使用PAM4传送56Gb/s信号。

图11：为了保持这种以太网交换机中的热量处于受控状态，要求使用34 AWG的导线。更粗的导线会给空气流动增加太多的阻碍。

在做出设计选择时，你必须在你的热预算中考虑散热问题。最终你会发现，在电路板上设计重定时器，然后只走PCB上的路线是一种较好的选择。你必须决定器件数量、信号完整性、成本以及设计中的散热问题。如果光波导能够做到PCB上，那就不需要使用线缆了。但板载光学连接的实现似乎还要再等5年甚至更长的时间。

测试线缆配件

因为这些跳线配件需要处理今天最高速的信号，所以你需要知道它们在系统中的工作性能如何。幸运的是，你可以利用仿真开始设计。线缆供应商已经开发出成熟的测试夹具来表征这些线缆，然后他们通过对夹具效应进行去嵌入来测量线缆的特征，再使用矢量网络分析仪（VNA）来测量这些配件的响应。供应商会通过频域测量数据生成你在系统仿真时需要的S参数文件。然后你就可以通过仿真得到的眼图，在时域中查看跳线对信号完整性的影响。如果你想通过亲自测量来验证仿真，也可以申请获取评估板。