網(wǎng)絡(luò)和電信中的數(shù)字系統(tǒng)速度正在不斷提高，這些速度增加的速度也在加速。在很大程度上，這種趨勢(shì)正在發(fā)生，因?yàn)閺牟⑿锌偩€（時(shí)鐘頻率低于100 MHz）到以每秒多吉比特（gigabits）運(yùn)行的串行信號(hào)路徑的運(yùn)動(dòng)。目前，一些系統(tǒng)的運(yùn)行速度為1.2 Gbps，一些公司正在尋求將速度提高到10 Gbps。

在這些速度下，互連結(jié)構(gòu)（如印刷線路板和連接器）會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生負(fù)面影響完整性。為了以數(shù)千兆位的速度成功傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員必須模擬他們的系統(tǒng)，并且通常必須使用非正統(tǒng)的構(gòu)造技術(shù)。這些方法不僅可以增加數(shù)字系統(tǒng)生產(chǎn)成本，還可以增加設(shè)計(jì)成本。

為了理解如何實(shí)現(xiàn)多千兆位信號(hào)速度，Amp Inc從傳統(tǒng)和替代介電材料制造了一套印刷線路板。工程師使用這些電路板收集有關(guān)高速信號(hào)特性的大量數(shù)據(jù)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，工程師能夠預(yù)測(cè)使用傳統(tǒng)印刷電路板的系統(tǒng)可以達(dá)到的最高速度。

測(cè)試板設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)每個(gè)測(cè)試板允許確定核心印刷線路板和帶有連接器的典型信號(hào)路徑的特性。捕獲基本的印刷線路板特性需要在帶狀線和微帶幾何形狀中構(gòu)造直的50和75W傳輸線。這些線包括6到18英寸長(zhǎng)的單端和差分類型。測(cè)試板還包括5至19密耳寬的跡線。改變印刷線路板疊層使得多個(gè)板能夠保持恒定的阻抗和走線寬度。包括走線長(zhǎng)度，寬度和阻抗的排列使得能夠全面表征許多傳輸結(jié)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)。

為了提供連接器如何影響信號(hào)行為的信息，每個(gè)測(cè)試板都包含一個(gè)通過(guò)Amp HS3連接器互連子卡的部分。 。為了在典型系統(tǒng)中提供一系列有關(guān)信號(hào)性能的數(shù)據(jù)，這些電路板部分還包括走線寬度，長(zhǎng)度和阻抗的排列。

電介質(zhì)材料

在設(shè)計(jì)電路板后，Amp使用不同的介電材料制作了幾套電路板。所選材料代表了一系列制造商和電氣特性。使用不同的介電材料，設(shè)計(jì)人員可以量化除傳統(tǒng)FR4之外的材料如何影響高速信號(hào)的行為。經(jīng)過(guò)調(diào)查，設(shè)計(jì)人員選擇了玻璃 - 環(huán)氧樹(shù)脂，聚苯醚（PPO），陶瓷和玻璃纖維增強(qiáng)聚四氟乙烯（PTFE）材料。

第一套板材采用Nelco 4000- 6，高性能型FR4，屬于編織玻璃 - 環(huán)氧樹(shù)脂材料族。第二組使用了Geok ML200，一種PPO型材料。第三組使用Rogers 4350陶瓷材料。最后一組板使用了Arlon CLTE，一種玻璃纖維增強(qiáng)PTFE材料。表1顯示了制造商為這些材料列出的電氣特性。

表1包括“相對(duì)成本”列。這些數(shù)據(jù)代表了您期望為替代電介質(zhì)材料與FR4以及由這些材料制成的電路板所支付的近似價(jià)格。這些數(shù)字是Amp為10×20英寸支付的相對(duì)價(jià)格。測(cè)試背板有12個(gè)信號(hào)層。 Tyco Printed Circuits（Stafford，CT，1-860-684-5881）構(gòu)建了所有電路板。

時(shí)間與頻率數(shù)據(jù)

當(dāng)設(shè)計(jì)人員完成測(cè)試板時(shí)，最初的方法是測(cè)量時(shí)域中的系統(tǒng)輸出眼圖。大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和信號(hào)完整性工程師使用時(shí)域信號(hào)。眼圖快速指示信號(hào)行為。

然而，很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)域眼圖測(cè)試無(wú)法提供所有所需信息。首先，測(cè)試設(shè)備的運(yùn)行速度只能達(dá)到3 Gbps，這太低了，無(wú)法滿足項(xiàng)目的目標(biāo)。其次，當(dāng)您使用頻率而不是時(shí)域數(shù)據(jù)時(shí)，提取材料和傳輸線參數(shù)會(huì)更容易。

為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員更多地依賴于來(lái)自測(cè)試板的頻率數(shù)據(jù)。來(lái)自網(wǎng)絡(luò)分析儀的數(shù)據(jù)使頻域測(cè)量高達(dá)6 GHz，可以對(duì)應(yīng)高達(dá)10 Gbps的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)速率，具體取決于時(shí)域信號(hào)的上升時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量可以計(jì)算關(guān)鍵的介電材料參數(shù)，例如介電常數(shù)和損耗角正切。傅里葉變換算法可以輕松地將頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更好理解的時(shí)域數(shù)據(jù)。通過(guò)這種方法，工程師可以輕松地分離或“去嵌入”測(cè)試結(jié)構(gòu)的影響。

去嵌入測(cè)試點(diǎn)

各種測(cè)試板上50W帶狀線跡線的初始頻域測(cè)量結(jié)果表明，所有測(cè)量結(jié)果均明顯錯(cuò)誤（圖1）。此錯(cuò)誤的來(lái)源是測(cè)試結(jié)構(gòu)每端的測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試點(diǎn)存在顯著的阻抗失配，這會(huì)降低頻域測(cè)量結(jié)果。

為了消除測(cè)試點(diǎn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，工程師使用了直通反射線（TRL）嵌入。該技術(shù)表征并從整體測(cè)量中去除測(cè)試點(diǎn)引入的可重復(fù)測(cè)量誤差。圖2顯示了TRL去嵌入對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。黑線顯示測(cè)量的S 21 幅度，藍(lán)線顯示去嵌入的S 21 幅度。正如所料，S 21 向上移動(dòng)，因?yàn)樵谌コ瓷浜蟾嗟哪芰客ㄟ^(guò)結(jié)構(gòu)。請(qǐng)注意，S 11 現(xiàn)在在所有頻率都為零，因?yàn)槠ヅ涞?0W系統(tǒng)中沒(méi)有反射。

去嵌入頻率數(shù)據(jù)對(duì)于每種材料中的板跡，然后允許提取基本材料參數(shù)。您可以從S 21 的相速度數(shù)學(xué)推導(dǎo)材料的介電常數(shù)，并從S 材料的損耗角正切21 的幅度。圖3顯示了每種電路板材料的測(cè)量的去嵌入介電常數(shù)。圖4顯示了相應(yīng)的損耗角正切。

注意每個(gè)基本材料參數(shù)如何隨頻率變化。您可以輕易忽略這種頻率依賴性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)材料制造商只提供一對(duì)假設(shè)恒定的介電常數(shù)值和材料的損耗角正切。

圖3和圖4中的值略高于那些材料制造商提供。預(yù)測(cè)值和測(cè)量值之間的這種差異可能是由于在電路板制造期間在電介質(zhì)材料中發(fā)生的變化。圖3和圖4中的數(shù)據(jù)代表了每種介電材料的最基本特性。了解材料的介電常數(shù)和損耗角正切可以精確建模有損傳輸線結(jié)構(gòu)。

時(shí)域變換

因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在檢查時(shí)域眼圖時(shí)感覺(jué)很舒服評(píng)估互連結(jié)構(gòu)的性能，本文將轉(zhuǎn)換后的頻域數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為時(shí)域眼圖。從測(cè)試板組的眼圖數(shù)據(jù)中，您可以得出有關(guān)傳輸線和互連結(jié)構(gòu)的速度限制的結(jié)論。

圖5顯示了將頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)域的技術(shù)眼睛圖案。該過(guò)程涉及幾個(gè)步驟。輸入位模式轉(zhuǎn)換到頻域，然后乘以電路的頻率響應(yīng)。然后將該乘法的乘積（逆）變換回時(shí)域。結(jié)果是輸出位模式，如果輸入位模式已通過(guò)互連，您將看到輸出位模式。覆蓋此位模式的各個(gè)位會(huì)產(chǎn)生輸出眼圖。

將測(cè)量的3-Gbps眼圖與經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的3-Gbps眼圖進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法（圖6和圖7）。圖6顯示了直接測(cè)量的18英寸眼圖。 FR4中的路徑。圖7顯示了通過(guò)將頻域測(cè)量轉(zhuǎn)換為時(shí)域而為相同路徑創(chuàng)建的眼圖。幾乎精確的相關(guān)性提供了變換技術(shù)的可信度。

帶狀線性能

去嵌入和變換技術(shù)產(chǎn)生的結(jié)果是所有介質(zhì)材料中的50W帶狀線跡線的比特率一樣高為9.6 Gbps。該數(shù)據(jù)涵蓋5至19密耳寬，6至18英寸長(zhǎng)的跡線。數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于給定的跡線長(zhǎng)度，您可以從Rogers 4350中更窄的跡線獲得與傳統(tǒng)FR4中更寬的跡線相同的信號(hào)性能。相反，使用固定的跡線寬度，您可以在Arlon CLTE中實(shí)現(xiàn)相同的信號(hào)保真度，使用的跡線是FR4中的兩倍。

通常，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示Rogers 4350和Arlon CLTE提供了顯著的電氣優(yōu)于FR4和Getek的優(yōu)勢(shì)。圖8顯示了通過(guò)50W，12密耳，18英寸的60-psec，9.6-Gbps，K28.5信號(hào)的輸出眼圖性能。每種材料中的帶狀線跡線。 （K28.5是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)位模式-1100000101-用于空閑模式。）Rogers 4350和Arlon CLTE的最大眼圖開(kāi)口分別為426和520 mV，而FR4和Getek的開(kāi)口僅為238和268 mV，分別。在這種高數(shù)據(jù)速率下，Rogers 4350和Arlon CLTE材料的開(kāi)眼率幾乎是FR4的兩倍。替代介電材料的優(yōu)點(diǎn)很明顯。更重要的是，圖8顯示印刷線路板材料可以在合理距離內(nèi)支持接近10 Gbps的數(shù)字信號(hào)傳輸速度。

系統(tǒng)性能

從系統(tǒng)角度來(lái)看，印刷線路板的集膚效應(yīng)和介電損耗只是整體信號(hào)衰減的兩個(gè)因素。要確定在系統(tǒng)中使用替代介電材料的優(yōu)勢(shì)，還必須包括連接器和鍍通孔的效果。這些效應(yīng)在確定輸出信號(hào)質(zhì)量以及是否可以通過(guò)系統(tǒng)發(fā)送10 Gbps方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

測(cè)試板的子卡到背板到子卡部分允許檢查信號(hào)性能。一個(gè)系統(tǒng)。這些連接類似于測(cè)試板的僅跟蹤部分，除了每個(gè)信號(hào)路徑包括兩個(gè)Amp HS3連接器。圖9顯示了其余示例的信號(hào)路徑的連接器位置和尺寸。測(cè)試點(diǎn)和其他不連續(xù)性影響仍保留在系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)中，因?yàn)檫@些影響顯示了真實(shí)系統(tǒng)組件如何降低信號(hào)性能。為了測(cè)量信號(hào)衰減，工程師逐步提高了數(shù)據(jù)速率。

在2.4 Gbps時(shí)，系統(tǒng)的輸出眼圖顯示所有四種介電材料都允許令人滿意的系統(tǒng)操作（圖9）。輸入比特幅度為1V時(shí)，F(xiàn)R4材料中最差情況下最大輸出眼圖開(kāi)度為2.4 Gbps，為733 mV。 Getek，Rogers 4350和Arlon CLTE都顯示出超過(guò)790 mV的最大眼圖開(kāi)度。

在4.8 Gbps時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生了微不足道的結(jié)果。在FR4和Getek中，最大輸出眼圖開(kāi)度分別僅為218和227 mV。在Rogers 4350和Arlon CLTE中，眼孔分別為378和516 mV（圖10）。對(duì)眼圖的檢查表明，F(xiàn)R4和Getek的系統(tǒng)性能在4.8 Gbps時(shí)可能是不可接受的。相比之下，Rogers 4350和Arlon CLTE都提供了足夠的改進(jìn)，可提供可能接受的系統(tǒng)性能。

在9.6 Gbps時(shí)，系統(tǒng)使用任何介電材料都會(huì)產(chǎn)生不可接受的結(jié)果。所有輸出眼圖都被關(guān)閉（圖11）。當(dāng)您將圖11的9.6-Gbps系統(tǒng)結(jié)果與圖8的9.6-Gbps僅跟蹤結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)將互連結(jié)構(gòu)引入信號(hào)路徑會(huì)顯著降低信號(hào)質(zhì)量。雖然僅以9.6 Gbps的跟蹤性能是合理可接受的，但即使使用替代介電材料，系統(tǒng)在相同速度下的性能也是不可接受的。

在信號(hào)速度低于2.4 Gbps時(shí)，替代介電材料提供了FR4的優(yōu)勢(shì)有限。在大約4.8 Gbps的速度下，Getek的性能與良好的FR4相似，而Rogers 4350和Arlon CLTE的性能明顯更好。在接近9.6 Gbps的速度下，替代介電材料可提高跟蹤性能，但系統(tǒng)組件（如連接器和電鍍通孔）往往會(huì)主導(dǎo)信號(hào)損失。因此，在9.6 Gbps時(shí)，系統(tǒng)的行為方式不能反映替代介電材料的性能改進(jìn)，并且往往與FR4系統(tǒng)的行為無(wú)法區(qū)分。

結(jié)論

檢查穿過(guò)每種測(cè)試板材料的高速信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)Rogers 4350和Arlon CLTE在Getek和傳統(tǒng)FR4上都有顯著的性能提升。使用Rogers 4350和Arlon CLTE等材料，只要使用合理的走線寬度，就可以通過(guò)18英寸，50V線條印刷線路板結(jié)構(gòu)以接近10 Gbps的速率成功傳輸數(shù)字信號(hào)。