如何使用線纜配件來取代PCB走線

每次串行數據速率提高，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對措施是使用線纜配件取代PCB走線。

每次串行數據速率提高，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對措施是使用線纜配件取代PCB走線。

問題是這樣的。伺服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。為了儘可能縮簡訊號傳輸的總距離，PCB設計人員會在大約電路板的中心位置放置交換IC（FPGA或ASIC）。當然，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、交織效應、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。為了有利於減小56Gb/s時的信號損耗，許多工程師轉用四電平的脈衝幅度調製（PAM4）——這與NRZ相比，指定信號速率下的數據速率可以翻倍。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官Scott McMorrow在其提供的一張電子數據表格中，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。你可以使用這些數據估計具體設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在內的多家連接器公司開發出了能讓信號繞開PCB走線的互連方案。這些線纜配件有很多種，取決於具體應用。舉例來說，它們連接I/O（通常是QSFP等光學模塊）到ASIC、ASIC到背板、電路板到電路板，用於替代相同電路板上的剛性背板和晶片到晶片連接。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。

「與採用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。」TE Connectivity公司系統架構小組專家兼工業標準部門經理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。正如你想像的那樣，較粗的30 AWG導線的損耗要比34 AWG導線小。但損耗較低也有不利之處，Molex公司先進技術營銷經理Greg Walz提醒道，較低損耗的導線與較高損耗的導線相比，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係。

圖3：使用這張表格比較PCB材料和導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。本文把這類產品稱為「跳線」配件。跳線使用直式和直角連接器製成，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。

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

值得注意的是，導線是並行的，而不是雙絞線。雙絞線通常用於長距離線纜，比如電話線。「雙絞線適用的速度大約到5Gb/s。」Walz指出。絞線可以降低幹擾的影響，但在28Gb/s NRZ或56Gb/s PAM4的速度時，由於時鐘頻率至少是14GHz，所以需要用一對並行的屏蔽線來減輕雙絞線遇到的串擾問題。「twinax線纜可以將串擾衰減70dB到80dB。」Walz補充道。

這些線纜的結構存在差異。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，用於最大限度減小線纜內部過多的電荷。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。

由於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線必須具有相同的長度。「每根導線不再是單獨擠壓出來然後熔接在一起，而是在嚴格的工藝控制之下同時擠壓出這兩根導線。」Guetig表示，「這樣做可以確保絕緣材料的介電常數保持一致。」這種一致性可以最大程度地減小信號偏斜，即當信號沿著這對導線以不同時間到達終點時出現的一種狀態。在14GHz和更高頻率時，偏斜問題很嚴重——由於導線在PCB的纖維織紋之上或之間經過，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線經過相同的點，否則信號中肯定會出現偏斜。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過相同材料，不像PCB走線中可能發生的偏差。

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，線纜長度範圍通常是從約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I/O埠，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。在這種應用中，線纜中的導線直接焊接到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顯示了導線在QSFP模塊內是如何連接的。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，線纜導線直接接進I/O模塊。

並不是所有跳線配件都需要傳送數據速率為28Gb/s和更高的信號，它們也有數據速率更低的應用。舉例來說，像硬碟驅動器和固態硬碟等存儲應用使用的SATA連接速度就是6Gb/s和12Gb/s。針對這些應用，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）和一種面向存儲應用的配件。

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

設計折中

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的導線的阻抗要比34 AWG導線小（因此損耗更低），用28 AWG的導線還可以獲得更好的性能。對信號完整性來說，導線是「越粗越好」，但隨之帶來的是價格問題。「較粗的導線的柔韌性比不上較細的導線，而這會影響電路板的布局，因為較粗的導線柔韌性較差。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。」Samtec公司高速線纜產品部產品與工程經理Keith Guetig表示。圖10展示了為什麼柔韌性非常重要，特別是在晶片到晶片的連接中。

圖10：當在晶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的導線傳送28Gb/s NRZ信號時的長度可以超過1m，而34 AWG的典型應用只能達到50cm或更短。他還指出，密度和柔韌性是採用儘可能細的AWG導線的原因。另外，與較輕的導線相比，使用較重的導線會限制空氣流動。

散熱問題在設計決策中也扮演著重要角色。Guetig指出，在網絡交換機中使用的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。再加上用於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量翻倍。這會顯著減少空氣流動，使設備變得更熱。圖11顯示了採用34 AWB twinax線纜給包含32個16差分對QSFP-DD埠的12.8TB/s乙太網交換機布線的線纜情況。在這種配置中，使用較粗的導線會減少空氣流動，使其達到出現散熱問題的數值。其中每個差分對使用PAM4傳送56Gb/s信號。

圖11：為了保持這種乙太網交換機中的熱量處於受控狀態，要求使用34 AWG的導線。更粗的導線會給空氣流動增加太多的阻礙。

在做出設計選擇時，你必須在你的熱預算中考慮散熱問題。最終你會發現，在電路板上設計重定時器，然後只走PCB上的路線是一種較好的選擇。你必須決定器件數量、信號完整性、成本以及設計中的散熱問題。如果光波導能夠做到PCB上，那就不需要使用線纜了。但板載光學連接的實現似乎還要再等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中的工作性能如何。幸運的是，你可以利用仿真開始設計。線纜供應商已經開發出成熟的測試夾具來表徵這些線纜，然後他們通過對夾具效應進行去嵌入來測量線纜的特徵，再使用矢量網絡分析儀（VNA）來測量這些配件的響應。供應商會通過頻域測量數據生成你在系統仿真時需要的S參數文件。然後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。

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