浅谈PCB叠层对高速信号差分对的影响

作者: LEE RITCHEY

本文讨论的主要内容是作为电子元件主要连接方式的差分信号的发展现状以及可能影响信号路径性能的一些因素。在当今这个特定的时间节点上，整个互联网都在依靠差分信号传输数据。如果没有这种信号传输方式，那么我们都极度依赖的互联网和大量通信产品将失去活力，或者更准确地讲无法生存。

好消息是，最新的IC能够支持在PCB的差分对上发送速率高达32Gb/S(及以上)的数据；坏消息是，或者更准确地说是行业面临的严峻考验，则是在如此高的速度下，用于制造PCB的叠层中很小的变化都有可能破坏数据路径，因此在设计和制造这些数据走线时必须十分小心。破坏走线中数据传输的变量之一是偏移(skew)。

从问题的基本点出发，偏移是指差分对上的两个信号的边沿在到达差分接收器的端子时所呈现的错位情况。偏移的后果是很显然的。当上述错位足够大时，数据路径中的链路可能无法正常工作。

此时有必要介绍一下差分对的定义以及它们的工作原理：

* 差分对是一种信号路径，有两个幅度相同但相位相反的信号沿着这两条路径传输。

* 接收器在其输入端检查“差分”电压值，并根据电压值判断数据位是1还是0。

* 所设计的接收器可以忽略信号中的“共模”分量——通常是电压偏差。这是这种信号协议的主要好处。

图1是差分对的图形化描述。


图1：差分对的图形化描述。

匹配两个不同信号的物理长度当然不是个问题，原因如下：

* 现代IC技术能够保持小至1ps的封装级对齐精度

* 现代PCB版图工具和连接器制造技术可能将长度匹配至1ps精度

基于以上这些因素，似乎解决和管理偏移很大程度上是工程技巧。如果不是一些不太明显的偏移源，情况当然是这样。

偏移中隐藏的“秘密”

如前所述，差分信号路径长度的不同或错位是引起偏移的原因。另外，偏移还可能是两个差分信号路径的速度不同引起的结果。在这两种情况下，影响偏移的因素都是PCB叠层中的玻璃纤维织物。具体地讲：

* 测量表明，由于叠层中不均匀的玻璃纤维编织形成的14英寸路径上会产生高达37ps的路径长度差异。(这要比28Gb/S时一个比特的周期还长)

* 当差分对中的一根线沿PCB叠层中的树脂传输、另一根线沿玻璃传输时，差分信号线对的速度会发生差异。沿着树脂传输的信号传输速度要快得多。

首先，介绍一些基本知识：

PCB中的叠层是玻璃纤维和树脂的一种组合。玻璃纤维的介电常数大约是6，树脂的介电常数一般不到3。

在路径长度和信号速度方面发生的问题主要是由于树脂中的玻璃纤维增强编织方式引起的。较为普通的玻璃纤维编织中的玻璃纤维束是紧密绞合在一起的，因此束与束之间留出的大量空隙需要用树脂填充。PCB中的平均导线宽度要小于玻璃纤维的间隔(编织间距与导线尺寸的比较请看图2)，因此一个差分对中的一条线可能有更多的部分在玻璃纤维上、更少的部分在树脂上，另一条线则相反(树脂上的部分比玻璃纤维上的多)。基于这些因素，我们发现14英寸长的差分对可能有高达60ps的编织方式引起的偏移。这样的偏移值对差分信号的性能有很大的影响。

需要考虑的一些因素：

* 用于制造PCB的玻璃纤维织物有许多样式。最常见的玻璃纤维织物样式如图2中提供的照片所示。

* 玻璃纤维织物样式通过数字编号加以区分，如106, 1080, 1067, 1086, 2116, 3313等等。

* 每种样式对每英寸有多少条线以及线的尺寸是多少都有标准规定。然而，有关每个玻璃纤维束是如何构成的却没有相应的标准。

* 每个束可能紧密绞合在一起，或松散开来，但都能满足标准要求。如图所示，这些束的构成方式对高速差分对的质量有很大的影响。


图2：玻璃纤维织物中的不同编织样式。


图3：1080玻璃纤维上的阻抗变化。

在上述4种不同编织样式中，1080玻璃纤维织物是用于搭建4mil内层最常用的样式。如图3所示，中心线是50欧姆。上方的线是+10%，下方的线是-10%。这么宽的阻抗变化是由于导线在玻璃纤维束(高Er，低速度和低阻抗)上方和束与束之间(低Er,高速度和高阻抗)交替走线引起的，很容易导致高速差分对出现严重的偏移。因此PCB中不应该使用这类信号。


图4：3313玻璃纤维上的阻抗变化。

如图4所示，如果将3313玻璃纤维与1080玻璃纤维相比，阻抗变化是非常大的。相比1080玻璃纤维，3313玻璃纤维的阻抗在水平和垂直的编织方向上有更大的不均匀性。这将导致不均匀的Er、速度和很小的偏移。106、1080、2116和7628已被证明是会引起差分对偏移的几种编织样式。

表1总结了在采用不同材料制造的多种测试PCB中对不同玻璃纤维织物如何影响偏移性能的评估结果。

表1：采用两种玻璃纤维织物样式(3313和8313)制造的7种材料对偏移影响的测试结果。


表格中有两个I-SPEED IS条目的原因是，第一个例子是在导线和平面之间使用单层3313玻璃纤维制造的，而第二个例子是在导线和平面之间用两层1035玻璃纤维制造的。

减少编织引起的偏移效应的方法有很多，未来我们会再行讨论。