如果有一种设计不增加成本又能改善信号质量
发布时间：2021-11-08 16:01
作者：37000Cm威尼斯高速先生自媒体成员 黄刚
本文分享一种高速串行PCB设计中不用增加工艺成本又能很好的改善原设计信号质量的办法哈！
有没有遇到过这么一种情况。进行高速串行信号的布线时，如果收发器件都放在TOP层时，我们去走高速差分信号时一般会选择靠下的走线层，因为这样能拥有比较短的过孔残桩（以下称为过孔stub），但是随着高速信号越来越多，我们靠下的层都用完了，那就只能慢慢的往靠上的层去走了。
然而稍微懂点高速设计理论的朋友们都知道，每走上一层，这位PCB工程师内心的纠结度就会高一分，因为过孔stub又会多了10几mil。就好像下面这个设计case一样，高速线从下面的第22层一直走到了上面第7层，那第7层走高速信号的话，距离bottom层可能已经有近100mil了…… 当然，其实大家也不需要太慌了，毕竟有一项非常好的加工工艺叫做背钻，也就是通过从相反方向进行二次钻孔的方式把多余的stub去掉，相信经常关注高速先生的朋友们都对这项工艺耳熟能详了，这里就不展开来解释了。
但是大家又需要知道一点，那就是背钻是一项额外的工序，什么叫额外，也就是在正常工艺流程外额外增加成本的工艺，因此对于设计者是方便的，但是总的成本会上升。对于一些注重成本的产品和公司来说，大批量之后这也是一笔很大的费用。但是如果高速信号的速率去到一个相对比较高的水平了，不背钻但又走在靠近TOP层的走线层，整个项目组都拿不定主意！ 面对这种高速线背钻都增加成本，不背钻又由于stub太长不能满足信号质量的困境，国外某知名公司通过一个创新的方法成功的解决了。高速先生也在一些场合上提到过，它就是“U-turn”！这篇文章的重点就是从测试数据上介绍U-turn的原理和作用。首先我们说说原理，U-turn的核心思想就是通过把一个长stub的换层过孔用两个短stub的组合过孔来代替，一般来说这两个过孔会是一个通孔和一个短stub的孔，这样就形成了一个环回，成功的把一个长stub的孔变成了短stub，代价只是增加了一个通孔而已。例如1到3层的stub孔变成了1到bottom层，再从bottom层打回到3层，这样使得本来是从3层到bottom的长stub变成了3层到top层的短stub。
看起来是一个很美妙的解决方案，但是不知道实用性怎么样呢？高速先生特地用测试板的形式给大家答案。我们做了几组对比的网络，包括了一根原始长stub不背钻的设计，一根长stub背钻的设计和一个用U-turn方法的设计，如下所示，通过描述的名字大家也能分清楚了吧！
我们先看看S参数的结果，从回波损耗和插损损耗的角度来观察，从结果看也很符合我们的预期。
从结果上看，长stub孔不背钻，由于stub长度超过80mil，于是会在相对低频的位置（本case在14GHz）产生一个巨大的谐振点，根据我们的SI理论，在这个频点有-50dB的损耗，那就基本上等于开路。我们最关注的U-turn和长stub背钻后的结果对比的话，能看到U-turn的效果的确非常明显，它仅仅比背钻的设计略差一点，但是比起不背钻的情况却有了超级巨大的改善。
按照高速先生的习惯。这个时候肯定会为一些不太了解S参数的朋友们送上我们的时域眼图对比结果。我们分别在上面3组链路中验证10Gbps和25Gbps速率的眼图结果对比。
首先我们来看看在3组链路中跑10Gbps速率的眼图结果。从10Gbps的结果上可以看到，U-turn和背钻的结果非常接近，两者在性能上并没有太大的区别，另外也能看到长stub孔不背钻的情况下，在10Gbps这个不算太高的速率上已经有明显的掉队，开始差于其他两种设计。
那我们再来看看25Gbps这样高速率下的眼图对比哈。
在这个速率下任何的设计细节都会体现在眼图结果差异上，因此从结果对比能看到，U-turn由于还是多了一个通孔和有一段短stub的过孔，因此这个差异在25Gbps的眼图下U-turn和长stub背钻也拉开了一定的差距，但是U-turn对比长stub孔不背钻的原始设计还是有巨大的优势，因为这个时候长stub又不背钻情况下，眼图基本为零，也就等同于没有能量能传输过去。
最后做一个简单的总结，U-turn的确是一种很好的折中方法，它很好的解决成本和性能之间的矛盾，在一个不太高的速率下（例如10Gbps的速率下）能够很好的维持性能而不需要额外增加背钻带来的成本。对于某些对成本要求很高的项目和产品来说，可能是一个很好的福音哈。
