如何使用線纜配件來取代PCB走線

每次串行數(shù)據(jù)速率提高，其都會暴露出掩蓋在低速下的問題。許多這些問題是因為PCB走線、過孔和連接器中發(fā)生損耗引起的信號完整性下降而造成的。雖然信號完整性問題的解決方案有很多，但每種方案都有其自身的缺點。解決這些問題的一種應(yīng)對措施是使用線纜配件取代PCB走線。

每次串行數(shù)據(jù)速率提高，其都會暴露出掩蓋在低速下的問題。許多這些問題是因為PCB走線、過孔和連接器中發(fā)生損耗引起的信號完整性下降而造成的。雖然信號完整性問題的解決方案有很多，但每種方案都有其自身的缺點。解決這些問題的一種應(yīng)對措施是使用線纜配件取代PCB走線。

問題是這樣的。服務(wù)器和交換機中使用的電路板通常都很大，它們的一端一般用“開箱即用的”I/O銅線或光纖，另一端是背板連線。為了盡可能縮短信號傳輸?shù)目偩嚯x，PCB設(shè)計人員會在大約電路板的中心位置放置交換IC（FPGA或ASIC）。當(dāng)然，將I/O和交換器件靠近擺放可以最大限度地減小兩者間的信號損耗，但會使從ASIC或FPGA到背板的信號完整性更加糟糕。

目前信號基頻為14GHz，由趨膚效應(yīng)、交織效應(yīng)、表面粗糙度、過孔和連接器造成的損耗通常都太大，會影響可靠通信。即使接收器可以檢測到比發(fā)送端信號幅度低38dB的輸入信號，但信號劣化程度卻常常無法接受。

28Gb/s非歸零信號（NRZ）的時鐘速率是14GHz。為了有利于減小56Gb/s時的信號損耗，許多工程師轉(zhuǎn)用四電平的脈沖幅度調(diào)制（PAM4）——這與NRZ相比，指定信號速率下的數(shù)據(jù)速率可以翻倍。這樣，在14GHz時鐘速率條件下用PAM4信號可以達到56Gb/s，但這有個問題。PAM4信號的幅度（眼高）只有NRZ信號的三分之一（圖1）。因此在信號損耗和對噪聲的敏感度之間需要達到一個平衡。

圖1：PAM4信號的眼開（右）約是NRZ信號高度的三分之一，使得PAM4信號更容易受噪聲影響而出錯。

Samtec公司信號完整性部門首席技術(shù)官Scott McMorrow在其提供的一張電子數(shù)據(jù)表格中，用列表和圖形形式顯示了Megtron6 PCB材料和28 AWG到36 AWG尺寸的線纜在不同長度和從1GHz到50GHz的頻率下的損耗差異（dB）。距離涉及1英寸、12英寸和1米。你可以使用這些數(shù)據(jù)估計具體設(shè)計中的信號損耗大小。

為了減輕PCB損耗問題，包括Molex、Samtec和TE Connectivity在內(nèi)的多家連接器公司開發(fā)出了能讓信號繞開PCB走線的互連方案。這些線纜配件有很多種，取決于具體應(yīng)用。舉例來說，它們連接I/O（通常是QSFP等光學(xué)模塊）到ASIC、ASIC到背板、電路板到電路板，用于替代相同電路板上的剛性背板和芯片到芯片連接。圖2顯示了一種來自DesignCon 2017展會上演示的跳線例子。

圖2：跳線配件可以讓信號繞開I/O連接器與ASIC或FPGA之間的PCB。Samtec提供直式或直角連接器兩種形式。

“與采用PCB走線相比，使用線纜傳輸56Gb/s信號可以將損耗降低大約一半?！盩E Connectivity公司系統(tǒng)架構(gòu)小組專家兼工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)部門經(jīng)理Nathan Tracy表示。圖3比較了幾種PCB材料和兩種尺寸的線纜在不同頻率下的損耗情況。正如你想象的那樣，較粗的30 AWG導(dǎo)線的損耗要比34 AWG導(dǎo)線小。但損耗較低也有不利之處，Molex公司先進技術(shù)營銷經(jīng)理Greg Walz提醒道，較低損耗的導(dǎo)線與較高損耗的導(dǎo)線相比，其抑制反射的性能較低，而反射增加會提高本底噪聲，這對PAM4編碼來說很關(guān)鍵，特別是在較短長度的線纜上。因此你仍然需要平衡損耗與反射和噪聲之間的關(guān)系。

圖3：使用這張表格比較PCB材料和導(dǎo)線在不同頻率下的損耗值。

用來繞開PCB走線的線纜配件名字有很多，比如Sliver、Firefly和BiPass。本文把這類產(chǎn)品稱為“跳線”配件。跳線使用直式和直角連接器制成，這些連接器通過一串通常稱之為“twinax”的差分線對連接在一起。圖4顯示了Samtec公司的Eyespeed高性能twinax線纜技術(shù)。

圖4：這種twinax線纜由一對導(dǎo)線、一層電介質(zhì)、兩個金屬屏蔽層和一層護套組成。

值得注意的是，導(dǎo)線是并行的，而不是雙絞線。雙絞線通常用于長距離線纜，比如電話線。“雙絞線適用的速度大約到5Gb/s?！盬alz指出。絞線可以降低干擾的影響，但在28Gb/s NRZ或56Gb/s PAM4的速度時，由于時鐘頻率至少是14GHz，所以需要用一對并行的屏蔽線來減輕雙絞線遇到的串?dāng)_問題。“twinax線纜可以將串?dāng)_衰減70dB到80dB?！盬alz補充道。

這些線纜的結(jié)構(gòu)存在差異。圖5顯示了Molex公司BiPass線纜配件的橫截面圖。除了屏蔽層外，Molex還增加了一根連接到參考平面的引流線，用于最大限度減小線纜內(nèi)部過多的電荷。圖6顯示了TE Connectivity公司的twinax線纜橫截面圖。

圖5：這張橫截面圖顯示了twinax線對、屏蔽層和引流線。

圖6：據(jù)TE Connectivity公司介紹，該公司的twinax線纜不需要引流線，也不需要第二個屏蔽層。

由于這些線纜傳送的信號具有很高的頻率，因此差分對中的每根導(dǎo)線必須具有相同的長度?！懊扛鶎?dǎo)線不再是單獨擠壓出來然后熔接在一起，而是在嚴(yán)格的工藝控制之下同時擠壓出這兩根導(dǎo)線?！盙uetig表示，“這樣做可以確保絕緣材料的介電常數(shù)保持一致?！边@種一致性可以最大程度地減小信號偏斜，即當(dāng)信號沿著這對導(dǎo)線以不同時間到達終點時出現(xiàn)的一種狀態(tài)。在14GHz和更高頻率時，偏斜問題很嚴(yán)重——由于導(dǎo)線在PCB的纖維織紋之上或之間經(jīng)過，這一問題會受到很大的影響。因此，除非差分走線中的兩根導(dǎo)線經(jīng)過相同的點，否則信號中肯定會出現(xiàn)偏斜。偏斜在比方10Gb/s（5GHz）時問題還不大。跳線可以最大限度地減小偏斜，因為差分對的兩根線會同時經(jīng)過相同材料，不像PCB走線中可能發(fā)生的偏差。

因為這些跳線是線纜配件，所以它們也有連接器。圖7給出了可以安裝到電路板上的一些直式和直角連接器例子。注意面向信號完整性的屏蔽殼。Tracy提醒道，線纜長度范圍通常是從約50cm到100cm。圖7右下角的線纜配件包含8根屏蔽的差分對線纜。跳線一般可以提供多組八差分對。

圖7：跳線連接到直式和直角連接器再連接到PCB。

圖6所示線纜的另一端連接到諸如QSFP模塊的光學(xué)I/O端口，但它們也能通過各種連接器連接到電路板上的其他地方。圖2所示的線纜配件的一端就是QSFP模塊。在這種應(yīng)用中，線纜中的導(dǎo)線直接焊接到QSFP模塊上，因此最終信號路徑中沒有PCB銅走線。線纜還能通過連接器直接插入I/O模塊。圖8顯示了導(dǎo)線在QSFP模塊內(nèi)是如何連接的。電路板連接器通過壓接引腳連接到電路板，它將控制和電源引腳與線纜中的高速信號分離開。

圖8：在這種配置中，線纜導(dǎo)線直接接進I/O模塊。

并不是所有跳線配件都需要傳送數(shù)據(jù)速率為28Gb/s和更高的信號，它們也有數(shù)據(jù)速率更低的應(yīng)用。舉例來說，像硬盤驅(qū)動器和固態(tài)硬盤等存儲應(yīng)用使用的SATA連接速度就是6Gb/s和12Gb/s。針對這些應(yīng)用，TE Connectivity公司提供了與高速線纜相比成本更低的Sliver線纜配件。圖9顯示了一種能夠傳送56Gb/s信號的線纜配件（上方）和一種面向存儲應(yīng)用的配件。

圖9：圖片上方的線纜一般用于交換機中，并提供光學(xué)模塊與ASIC或FPGA之間的連接。更低成本的線纜（圖片下方）則是面向存儲應(yīng)用設(shè)計。照片是筆者在DesignCon 2017展會的TE Connectivity展臺上所拍。

設(shè)計折中

這些線纜配件可以改進信號完整性，但它們也需要不同因素的折中，包括成本、靈活性和散熱。如圖3所示，一根30 AWG的導(dǎo)線的阻抗要比34 AWG導(dǎo)線?。ㄒ虼藫p耗更低），用28 AWG的導(dǎo)線還可以獲得更好的性能。對信號完整性來說，導(dǎo)線是“越粗越好”，但隨之帶來的是價格問題?！拜^粗的導(dǎo)線的柔韌性比不上較細的導(dǎo)線，而這會影響電路板的布局，因為較粗的導(dǎo)線柔韌性較差。一根28 AWG twinax線纜和一根34 AWG線纜相比，其硬度差異非常顯著——34 AWG線纜的柔韌性非常好?！盨amtec公司高速線纜產(chǎn)品部產(chǎn)品與工程經(jīng)理Keith Guetig表示。圖10展示了為什么柔韌性非常重要，特別是在芯片到芯片的連接中。

圖10：當(dāng)在芯片之間使用高速線纜配件時，柔韌性變成了很重要的考慮因素。

Guetig指出，28 AWG的導(dǎo)線傳送28Gb/s NRZ信號時的長度可以超過1m，而34 AWG的典型應(yīng)用只能達到50cm或更短。他還指出，密度和柔韌性是采用盡可能細的AWG導(dǎo)線的原因。另外，與較輕的導(dǎo)線相比，使用較重的導(dǎo)線會限制空氣流動。

散熱問題在設(shè)計決策中也扮演著重要角色。Guetig指出，在網(wǎng)絡(luò)交換機中使用的I/O卡可能有40個外部連接，每個連接都需要有自己的跳接配件。再加上用于控制信號和電源的其他線纜，意味著使用跳線很可能使電路板上的線纜配件數(shù)量翻倍。這會顯著減少空氣流動，使設(shè)備變得更熱。圖11顯示了采用34 AWB twinax線纜給包含32個16差分對QSFP-DD端口的12.8TB/s以太網(wǎng)交換機布線的線纜情況。在這種配置中，使用較粗的導(dǎo)線會減少空氣流動，使其達到出現(xiàn)散熱問題的數(shù)值。其中每個差分對使用PAM4傳送56Gb/s信號。

圖11：為了保持這種以太網(wǎng)交換機中的熱量處于受控狀態(tài)，要求使用34 AWG的導(dǎo)線。更粗的導(dǎo)線會給空氣流動增加太多的阻礙。

在做出設(shè)計選擇時，你必須在你的熱預(yù)算中考慮散熱問題。最終你會發(fā)現(xiàn)，在電路板上設(shè)計重定時器，然后只走PCB上的路線是一種較好的選擇。你必須決定器件數(shù)量、信號完整性、成本以及設(shè)計中的散熱問題。如果光波導(dǎo)能夠做到PCB上，那就不需要使用線纜了。但板載光學(xué)連接的實現(xiàn)似乎還要再等5年甚至更長的時間。

測試線纜配件

因為這些跳線配件需要處理今天最高速的信號，所以你需要知道它們在系統(tǒng)中的工作性能如何。幸運的是，你可以利用仿真開始設(shè)計。線纜供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出成熟的測試夾具來表征這些線纜，然后他們通過對夾具效應(yīng)進行去嵌入來測量線纜的特征，再使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）來測量這些配件的響應(yīng)。供應(yīng)商會通過頻域測量數(shù)據(jù)生成你在系統(tǒng)仿真時需要的S參數(shù)文件。然后你就可以通過仿真得到的眼圖，在時域中查看跳線對信號完整性的影響。如果你想通過親自測量來驗證仿真，也可以申請獲取評估板。