随着通信行业迈向下一代高端系统,新的解决方案必须具有更高的性能价格比。为了提高总体带宽,系统设计人员可以在现有数据传输率上实现更多的信道；或者也可以改进一下,使用数量更少、但带宽更高的信道,以节省总体空间、功耗和成本,降低噪声,另外还可获得更大的设计裕度。标准CMOS工艺中的10Gbps串行I/O技术为系统设计人员提高设计裕度提供了可能的解决方案。
不过,为了获得10Gbps及更高的串行数据传输速率,每一个层次都需要新的架构、设计和部件。不仅“有源”Serdes(并串/串并转换器)器件必须能发送和接收10Gbps信号,“无源”互连器(即背板、子板和连接器)也应能足够好地将信号从发送器传输到接收器。一般而言,现有的老系统(也叫“遗留”系统)通常不能控制这样高的数据传输速率,在背板应用中尤其如此。因此,必须从头开始设计一种“全新系统”,包括新的Serdes器件和新的背板互连器。
为了实现10Gbps的非归零码(NRZ)或二进制串行数据传输速率,Serdes的设计模式有一个改变。一般认为在发送器端进行的简单轻度信号均衡足以应付速率不超过3.2Gbps左右的长距离应用。这种均衡通常称为“预”均衡或预加重,它将发送器端的串行信号进行选择性的加重或去加重(即加强或减弱)。通常铜互连器对信号中低频成分的传输性能优于高频成分,发送器预先对这种信号衰减进行补偿。不过,在10Gbps速率下,只在发送器端进行均衡不能满足任何20英寸以上长距离传输铜线的需要。因此,需要在接收器中增加互连后的“后”均衡电路。这种后均衡可用来校正上述类似于低通滤波器特性的互连器衰减。此外,后均衡技术也可校正信号反射,这种反射在电气信号遇到阻抗不连续点时便会发生。后均衡有多种设计方式,如线性滤波均衡器、判决反馈均衡器(DFE)、前馈均衡器(FFE)等。与其他更复杂的方案相比,线性均衡器通常具有功耗低、尺寸小的优势。预均衡和后均衡的优化组合似乎最能有效地克服10Gbps传输速率下的互连器衰减。预均衡和后均衡都可设计为可编程或自适应工作。
半导体公司已开始推出集成有10Gbps收发器的新产品。对于半导体行业来说,内嵌在可编程逻辑中带有一个处理器的10Gbps串行I/O更是一个重要的进步。此外,对无源硬件互连器的需求也很明显。传统背板的衰减程度会导致信号无法被背板应用检测到,各种外部均衡方案也不能解决问题。背板上的信号衰减通常有四个不同的来源:印制板上的铜走线、连接器、芯片封装和过孔。背板上各部分之间的不连续都需要尽可能地进行阻抗匹配,以便将信号反射降到最低。此外,不同信道之间的串扰也有影响,因为只有信道传输衰减曲线与邻近信道引发串扰衰减曲线相交频点之下的信号频率才能在背板上可靠地传输。而且工作频率越高,串扰越严重。
采用低损耗的绝缘材料,如Nelco、Rogers等,来取代通常的FR4材料,可以降低PCB上铜走线引起的衰减。不过价格可能是一个令人关心的问题,但一块完成的Rogers背板通常只比FR4背板贵15-20%,因为对于一块实际背板(0.15英寸或更厚,层数为20层或更高)而言,工艺成本常常使材料成本相形见绌。一般来说,在产生同样幅度的衰减时,Rogers材料可以传输的距离是FR4材料的两倍。Nelco通常是FR4材料与Rogers材料之间比较好的折中,从性能和价格的角度而言都是如此。
在所有背板互连系统中,连接器都起着重要的作用。对连接器而言,首先是其插入(传输)衰减要降到最低。在老式背板中,连接器常常是背板上不同部分之间串扰的主要来源之一。因此,在10Gbps系统中,必须将连接器串扰降到最低,以免一根线上的信号由于另一根线上信号的原因而失真。同样重要的是连接器的管脚密度,连接器越密,每一层上分布的不同信号就越多,从而可以有效地减少信号层的数量,同时也可以相应降低电路板的总体厚度。
通常母板的连接器都是插入式安装的,不过现在市场上出现了一些全新的连接器技术,如表面安装和紧缩安装,在实验室环境下,它们都表现出了性能上的提高。对这些新技术的疑问通常集中在机械耐用性和实际量产系统中连接器的安装方面,一些连接器和PCB厂商已经证明这些都不成问题。
芯片的封装也会对串扰和信号衰减产生影响,因此也需要进行认真设计。目前封装设计在不断进步,除了引线接合球栅格阵列(BGA)封装之外,倒装芯片封装正变得越来越流行。
高速背板的另一个重要问题是过孔。信号必须经由过孔才能从背板的外表面进入其他电路层,在过孔处有一个从连接器管脚到内部信号层的连接,信号再在这一层中走线。传统的电镀通孔(PTH)有一段没有用于信号传输。这一段没使用和不需要的部分叫做“通孔分支”。这些分支可能在某些频率上引起谐振(振荡),从而严重影响信号的传输。现在已经出现了一些降低分支长度(高度)的新技术,而且在商业上也变得越来越可行。有一些是改进型的技术,如背部钻孔(反向打孔),它通过从电路板底部进行二次钻孔将分支中的铜钻掉；而采用盲孔、隐藏钻孔、(激光钻孔的)微过孔等“创新”技术,过孔可以只延伸到所需的信号层。不过,这些创新技术目前只局限应用于特定背板中所能钻到的一些不同深度。此外,所有这些减少分支的技术都提高了背板的生产成本,整体而言,可能会对成本产生实质性的影响。
过孔中有用的部分在不同的电路板层之间传递信号,通常称为“过孔管”。但是,邻近过孔管所传输的电信号可能会成为串扰的一个主要来源。随着市场上已出现了更新颖的低串扰连接器,这一点正变得越来越明显。在一种使用低串扰连接器的足够厚的高品质背板上,最深的过孔管所产生的串扰可能占到了总串扰的80%。因此,必须采取措施降低过孔管的高度。一个可能的解决办法是避免在同一信号层上的连接器区域布设正好相邻的信号线。
聪明的信号走线几何和布线可以帮助降低整个电路板的厚度,减少信号层数和总体走线长度,此外,还能显著降低串扰和PCB衰减,并可提高布线密度。
任何技术改进就其优点而言都是有吸引力的,但只有当它现实可行和可用时才有价值。几年前,10Gbps的串行数据速度还是一个神话,但如今已成为现实。今天,通信业界已具备构建总带宽达每秒高效传输数十兆兆位数据系统的所有构建模块,这只有通过CMOS工艺中的10Gbps非归零串行技术和新的连接器及PCB技术才有可能实现,而所有这些技术都可以量产,在成本上也具有经济性。半导体厂商正与连接器厂商和PCB厂商合作,以提供这些系统的解决方案。今天,世界上各个地方的通信系统厂商正在采用新的技术,设计高质量的系统,这将给它们带来成本、功耗和体积上的节省,帮助它们降低噪声、增加设计裕度,最终将使它们在业界取得领先地位。
作者:Bodhi Das
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