高速先生喜歡把信號傳輸比喻成在公路上開車,道路的平坦度很像我們的銅箔粗糙度,你在崎嶇不平的路上開車不可能開得很快,就好像信號在比較粗糙的普通銅箔傳輸,越高速損耗越大。實際上信號還存在著等長不等時的情況,一樣長度的信號,在介質(zhì)的不同位置傳輸,他們到達(dá)終點的時間也會不一樣。
業(yè)界把這種由于介質(zhì)導(dǎo)致信號傳輸延時有差異的現(xiàn)象叫玻纖效應(yīng)。其實這個概念早在10G設(shè)計仿真的時候就存在了,說明它的危害在這個頻段就已經(jīng)開始突顯了。但是玻纖效應(yīng)還是一個不好去量化的現(xiàn)象,也不是必然出現(xiàn)或者必然不出現(xiàn)的情況,所以我們對玻纖效應(yīng)的仿真只能去等效或者定性的去分析趨勢。
這篇paper卻給了我們一種能夠定量分析的方法,用仿真校準(zhǔn)、用公式去擬合,是一種全新的思路。題目也非常通俗易懂:如何對玻纖效應(yīng)去建模校準(zhǔn)測試結(jié)果,同時也從一些設(shè)計角度來說明它的影響。
首先本文先測試結(jié)果的角度出發(fā),希望找到玻纖效應(yīng)的worst case的影響,正如上文所說,我們很難找到玻纖效應(yīng)引起的最差的結(jié)果,因此方法就是增加測試的樣本,用統(tǒng)計的方式去處理,從大量樣本的提取增加找到worst case的機(jī)會。
為此本文做了一塊測試板來專門分析,分析不同的走線方向,板上不同的區(qū)域,不同的玻璃布情況下的測試結(jié)果。
我們可以看到從X方向到Y(jié)方向的走線在不同的玻璃布和板上位置的差分對間的skew如下所示:從測試結(jié)果還是能看到一些結(jié)論,例如玻纖效應(yīng)并不是兩個方向都如此惡劣,會有一個方向好一點,一個方向差一點。
實際上從本文針對這個測試結(jié)果也并沒有很完全的結(jié)論,還是認(rèn)為測試并不一定能反映玻纖效應(yīng)最惡劣情況。
所以本文就有了用建模的方式去說明玻纖效應(yīng)的動力。
對于建模的方法和過程也是有了說明,首先是從測試結(jié)果出發(fā),分析測試結(jié)果的差分線P和N之間的skew,然后通過真實的切片來確認(rèn)玻纖布和樹脂的位置參數(shù),例如pitch大小,然后根據(jù)切片的參數(shù)進(jìn)行三維的建模,然后對模型進(jìn)行仿真,在校準(zhǔn)測試結(jié)果后,就可以通過掃描模型相關(guān)參數(shù)位置的方法仿真得到最差的情況。
再詳細(xì)點的步驟如下,其實也很簡單易懂。
1,根據(jù)切片進(jìn)行建模
2,對模型進(jìn)行仿真
3,進(jìn)行仿真測試的校準(zhǔn)擬合,通過設(shè)定各項的目標(biāo)去掃描玻璃布和樹脂的DK,DF值。
單根N和P走線損耗的校準(zhǔn)目標(biāo)為1dB:
相位的校準(zhǔn)為0.2%的誤差目標(biāo):
對時域TDT的校準(zhǔn),確定仿真的玻璃布和樹脂的DK、DF值。
我們得到一個良好的仿真測試校準(zhǔn)精度后,就可以通過掃描走線的位置去得到仿真的worst case結(jié)果,如下所示:
在這里本文也給了一個建模仿真的結(jié)論,其中重要的一條就是認(rèn)為經(jīng)過校準(zhǔn)之后,可以比測試更容易得到玻纖效應(yīng)的worst case情況。
上面是本文的第一大塊的內(nèi)容點,然后我們進(jìn)入第二塊內(nèi)容,分析玻纖效應(yīng)對PCB設(shè)計的影響,主要分析差分線是強(qiáng)耦合走線表層和差分線弱耦合走在內(nèi)層的區(qū)別。
我們的建模模型如下所示:
我們可以看到,在松耦合帶狀線的情況下,skew對損耗的影響非常大,會在對應(yīng)頻段出現(xiàn)很尖峰的諧振點。
而且還有很重要的一點,在占UI相同比例的情況下,我們觀測不同速率的損耗衰減的差異是一樣的。例如我們看10G和25G的基頻處,在占相同UI的比例的skew的情況下,損耗變化是一樣的。
但是在表層線緊耦合的時候,同樣的skew卻有很大的差異。我們可以看到,在表層緊耦合的情況,skew的影響明顯比在內(nèi)層時要好。
而且同樣UI比例的skew變化時,頻率越高skew的影響越小,這一點和內(nèi)層情況完全不同。
實際上這里的差別除了表層和內(nèi)層外,還有松緊耦合的差別,你們或許會問,如果我在表層也是松耦合時,情況會不會同樣很差呢?沒錯,正是這樣的,在表層耦合得越緊,就有更多的電磁場在空氣中傳輸,由于空氣的DK低,因此諧振的情況就會變好。隨著耦合變?nèi)酰瑂kew的影響也會變得惡化。
本文到這里就結(jié)束了嗎??然而還沒有,我們進(jìn)入到第三大塊的分析,前面說了,我們可以通過建模來進(jìn)行仿真測試的擬合,然而玩過三維建模的同行會知道,建一個玻纖布的模型不是件容易的事情,所以本文展示它厲害的方面,同公式去擬合。
我們用以下的公式進(jìn)行擬合,理論其實也很簡單,就是通過skew把損耗聯(lián)系起來。
對于內(nèi)層和外層,本文在公式上也做了一些校準(zhǔn),從和仿真與測試的結(jié)果對比來看,該擬合的公式還是具有不錯的精度。
內(nèi)層擬合:
外層擬合會復(fù)雜很多,原因就是存在空氣的影響,介質(zhì)不是單一的。
稍微總結(jié)一下哈,本文算是分析玻纖效應(yīng)比較深入的一篇文章,分析了大量的測試結(jié)果,介紹了建模仿真的方法和仿真和測試的校準(zhǔn)擬合,而且還分析了玻纖效應(yīng)對一些典型的走線的影響差異,而且還通過公式擬合的方法對仿真和測試結(jié)果進(jìn)行擬合(這是本人第一次看到的方法哈),該方法相對仿真來說可以在效率和精度上做一個很好的平衡,對以后定量分析玻纖效應(yīng)的影響提供了一個不錯的思路。
只能說,玻纖效應(yīng)的確限制了我們對更高速發(fā)展的期望!