构建6.25Gbps背板

当数据速率达到6.25gbps甚至更高的速度时,背板设计就会变得越来越错综复杂。包括片上互连、连接器、电介质材料和过孔在内,各个单元之间的相互影响已成为必须予以考虑的问题。系统中任何单元的微小变化都可能对其端到端性能产生重大影响。

  teradyne公司tcs部门和accelerant网络公司联合开发了一个完整的6.25gbps背板参考设计,扫清了背板的设计障碍并解决了信号完整性问题。这个参考设计使用了两个accelerant an5500 5端口6.25gbps背板收发器和两个teradyne vhdm-hsd连接器系统,可以在使用fr-4材料制造的32英寸板上无故障运行。vhdm-hsd是一个带有保护罩的高密度、高速连接器系统,采用压配(press-fit)封装,专为“差分对”架构而优化设计。

  要使背板系统具有每秒传输数千兆位数据的能力,就需要对过去认为无关紧要的细节予以特别关注。信号线宽度、背板材料、镀通孔(pth)层(信号通过此层传送入背板)的直径以及背板连接器的选择都对该系统设计是否成功起到决定作用。

  背板的厚度是一个重要参数,因为它将决定在信号焊盘和背板底层之间存在的pth头的数量。这种pth头在高频时起到滤波器的作用。对差分s参数的测试显示,在6ghz时,相对于带有0.05英寸pth头的背板顶层,信号在带有大约0.2英寸pth头的背板顶层通过时,微分s参数改善了20db。

  在这个测试中,该背板厚度为0.22英寸,共有22层,采用rogers 4350制造。它采用了vhdm-hsd连接器,信号线长度为10英寸。由于pth头的长度对所能滤除的频率影响非常大,所以应保证背板尽可能薄。实现薄板最方便的方法是使用介电系数较低的材料。随着频率的增长,pth头的影响变得更为严重,必须把最高速的信号放在pth头最少的层上。

  差分信令是高速背板传输优先选用的方法。在这类信令中,线宽是一个重要的参数。由于加宽信号线可以降低表面效应损失(skin-effect loss),所以一般认为信号线越宽则信号完整性越好。虽然在理论上这是正确的,但在实际应用中还需要折衷考虑各种问题。

  首先,较宽的信号线将导致信号布线密度降低进而导致信号层增多。为达到期望的阻抗,更宽的信号线也将要求更厚的中心和填料,从而使电路板更厚。所以,选择更宽的信号线来减小表面效应损失(一个对信号衰减影响不大的低频效应)将导致层数更多且电路板更厚。这个问题的解决方案是适当地选择线宽。同12或14密耳(mil)相比, 8或10密耳宽信号线是一种更好的选择。

  为确定在哪个频率和数据速率下线宽对层数和板厚度开始产生显著影响,我们采用不同线宽和线长进行了一系列测试。在数据速率为5gbps和线长为10英寸时,线宽从8密耳变化到10密耳对层数和板厚度出现明显差别。但当数据速率为2.5gbps时,线宽从8密耳变化到10密耳对层数和板厚度没有多大影响。测试是在约0.09英寸厚的fr-4背板上进行的,没有连上背板连接器。这是一个表面贴适配器到表面贴适配器的测试。

  要实现以每秒兆兆比特(tb)的速率连接,在正确地完成了背板设计并解决了pth头问题之后,下一步要做的就是选择合适的背板连接器。所选择的背板连接器必须是差分连接器,同时,还必须有非常低的线对内偏移和低的串扰,还必须有相对一致的通过连接器的100欧姆阻抗。另外连接器必须允许方便地通过引脚区差分布线,而且所有这些条件必须在边沿速率低于100ps的条件下得到满足。

  除此之外,连接器还必须具有足够的机械鲁棒性,可现场插拔替换,具有高性价比,并带有功率模块、导销(guide pin)、引脚高度可变等所有支持单元和特性。

  要在fr-4环境中制造出1tb背板,关键在于是否具有与此类似的良好设计技术。需要考虑的其它参数还包括子卡堆叠、电源解耦和布线。

  分层效应

  参考设计有12个层:4个信号层、6个内层(plane layer)和用于最小布线和贴片元件的顶层和底层。很关键的一点是内层必须“耦合”在一起,即使每一个地层都与相应的电源层毗邻。这样做可使内层之间的电容量最大且阻抗最小。

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计