不同的走线层，一样的STUB

N年的宝贵经验告诉我们,遇到过孔stub时,最好办法就是器件在表层走线靠下层,器件在底层走线就靠上层,这样能把stub降到最低。但是,有没有这样一种情况,你们觉得无论走哪一层都觉得不能把stub降得很低的情况呢?

恩,还真有这么一种操作,而且其实我们还见得不少。在比较理想的器件布局下,我们喜欢把高速信号的收发芯片都放在同一面,要么都是表层,要么都是底层。原因很简单,这样的话我们从表层的pin打孔到内层走线时,只要我们走到了靠下的层(以器件放表层说明,如果是放底层则相反哈),这样两个过孔就都会是比较短的过孔stub,有利于提高信号传输质量。而且不要老是动不动就提要背钻这事嘛,能保证质量的同时又可以简单快捷的省成本和加工流程这种好事,相信谁都不会拒绝吧?

但是,有的高速信号却不能做到两个器件都放在正面,看起来好像显得我们不重视这些高速走线似的。大家是不是觉得只要我们想优先保证它们的传输的话,就肯定轻松的做到先把它们都放在表层是吧?有的东西连臣妾都不能保证啊,更何况PCB工程师呢?例如,其中一个器件是双面都有高速走线的pin……

其实这样的器件是有的,而且应用很广泛,其中一种就是我们今天的主人公,PCIE金手指。在我们很多PCIE子卡设计中,都会遇到它。它的封装就是双面的焊盘结构。这样的PCIE信号我们最近接触非常多,主要就是应用在现在很火的人工智能领域上。

像上图高亮的TX链路(怎么分的TX还是RX?看看电容呗)是在底层,而我们的主芯片放在表层,那我们的内线走线好像走到哪一层就是不能达到放同一面时的效果,无论是放在靠上层还是靠下层,都会有其中一个过孔有很长的stub。

在说完了前面的铺垫之后,再说说本文想描述的案例。该信号走的是PCIE3.0的协议(8Gbps),板厚是2.0mm。在第一版中,客户为了省成本,问我们能不能不背钻处理,然后我们高速先生也不是动不动就叫客户背钻的,因为经过验证之后,认为把走线走到靠下层时,长过孔的stub大概在60mil左右,对于8Gbps的信号仍在可以接受的范围。客户也怀着将信将疑的心态投了板,不过还好没等多久,回板之后客户进行了PCIE的测试(子卡插到base进行测试),发现真的是OK的哦,传输没有问题。

一切都没什么问题之后,后面客户又开始了第二版,其他走线有一些改动,PCIE这部分原理图没有改动。本来按说PCIE直接copy就好了,但是由于靠下面的走线需要让给更高速的信号,因此无法继续按照上一版靠底层走线。这时PCB工程师想到反正都会有一个长的过孔stub,影响应该是一样的,因此就把走线放在和下层对称的上层去走,于是就第二版的链路变成了这样(由于后面要对比两者的区别,因此我们用同一条链路不同走线层来对比会更有说服力)。

这就是前面说到,无论靠上还是靠下都会有一个长的过孔stub无法避免。其实乍一看,感觉应该是一样的,因为还是有一个长的和一个短的过孔stub的影响。事实上是这样吗?

我们把两种情况进行仿真对比一下,他们的传输损耗有非常惊人的结论,那就是真的就是一样的。如下所示:高速先生们再三确认后。确定真的是有两根曲线,真的一模一样哈。红的曲线被绿的覆盖了……

后面想了一下,其实一样也是对的。对于这种线性时不变系统而言。事实上他们就应该是一样的。理论不想过多解释哈,对于这种名词大家感兴趣再去搜搜哈。简单来说就是从最后接收来看,首先时间是一样的,然后stub一样的情况下是不care长stub和短stub的顺序,能量经过振荡传输到接收端的时候就是一样的。那看起来这种case下走靠上还是靠下层真没有影响?

很多时候当你有一个认为正确的结论时,往往需要经得住很多人的敲打。例如有同事就提出,要不给他们赋了收发模型看看眼图是不是也一样?好,这个主意非常好,因为对于很多人来说,S参数远没有时域的波形或者眼图直观,于是我们加入收发模型进行仿真后,就立马把这个结论推翻了……

突然发现原有差距会那么大,眼高居然差了50多mV。两者看起来波形都不错,但是在PCIE链路中,这个只是子卡部分,插上base板后接收裕量就肯定很小了,所以这个已经是一个很大的差距了。

在惊讶之余我们再回头看看这两条链路的回波损耗,终于发现了不一样的地方。

从回波损耗来看,版本一的结果的确会比版本二要好。这就是导致眼图有差异的原因了。所以对于这种始终会存在过孔stub的情况下,我们走线层的选择其实会影响很大,不能再按照传统的单纯靠下层或者靠上层来走了,这时候必须具体问题具体分析哈。

提问

如果链路换成了RX链路,那我们应该选择靠上还是靠下层走线呢?你们觉得还有没有其他更好的走线方式?