高速电路设计中不可忽略的一个重要因素

周三, 23 五月 2018 - 13:27

作者：蒋修国，<a href="javascript:void(0);">信号完整性</a>

在高速电路设计中，链路中的每一个参数都有可能导致传递的信号出问题。今天就和大家分享一个平常大家不太注意的参数。

先回顾下在中学的时候，咱们学习的一个概念，趋肤效应：当信号的频率较越来越高时，信号都会趋向于导体的表面传递。这样就会导致信号流过导体的相对有效面积变小，从电阻的角度来分析，这就会导致电阻增加，导致传递能量的损失。

在电子产品使用的PCB，基本都是由铜箔和有机材料组成的，如下图所示：
<img alt="图1：示意图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d9aba8da-2453-42e4-93d4-7d8046a223e7" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%EF%BC%9A%E7%A4%BA%E6%84%8F%E5%9B%BE.png" />
 我们平时看到的铜箔，表面上看起来都是非常光滑的，实际上并不如你肉眼所见的那样，铜箔并不是完全光滑的，其在进项显微镜下如下图所示：
<img alt="铜箔" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5ddffc09-0da0-4395-b847-4b4fb3895a39" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%EF%BC%9A%E9%93%9C%E7%AE%94.png" />
 为了更加的容易理解，给大家做一个示意图，如下图所示：
<img alt="示意图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d29cdee2-ed57-43bf-b680-b29018c4618e" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3%EF%BC%9A%E4%BC%A0%E8%BE%93%E7%BA%BF.png" />
铜箔的表面都是有很多铜牙存在的。目前小编没有发现非常官方的数据说明普通的铜牙到底有多长，据小编看到的普通的铜箔，没有经过处理的铜牙（铜箔粗糙度）一般都是在20～30um左右。当然，常规的根据铜箔粗糙度的厚度（系数）不同，目前有标准铜箔、反转铜箔、低粗糙度铜箔和超低粗糙度铜箔之分。

前面说到，铜箔的粗糙度会影响到信号完整性，那么我们就来做一个实验看看。原理图如下所示，把铜箔粗糙度的设置为一个变量，初始值为0，仿真的速率为10Gbps：
<img alt="仿真的速率" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="566da448-1cd9-4022-b4d0-82602cf19a78" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4%EF%BC%9A%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E7%9A%84%E9%80%9F%E7%8E%87.png" />
 分别查看其眼图和波形，如下所示：
<img alt="眼图和波形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="e44d50b5-a708-40e2-9567-ff01ec2fccb4" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5_2.png" />
 从结果可以看到：眼图的宽度为97ps，高度为0.652V，信号的峰值为0.479V。

那么，接下来，逐步改变铜箔粗糙度的厚度，观察眼图的变化，分别仿真铜箔粗糙度为5um、10um、15um和20um的情况，眼图和波形分别如下所示：

当粗糙度为5um的时候，眼图的宽度为94.5ps，高度为0.532V。
<img alt="眼图和波形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="54f1c83f-b13c-4baf-bb19-2fccb7e0ee44" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE6_3.png" />
    当粗糙度为10um的时候，眼图的宽度为93ps，高度为0.499V。
<img alt="当粗糙度为10um的时候，眼图的宽度为93ps，高度为0.499V" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4db53f72-f840-4fe2-8fed-f1213654d260" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE7_4.png" />
当粗糙度为15um的时候，眼图的宽度为91ps，高度为0.424V。
<img alt="当粗糙度为15um的时候，眼图的宽度为91ps，高度为0.424V" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="45ca64f2-ef34-4f07-84c7-d9dd61598db9" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE8_1.png" />
当粗糙度为20um的时候，眼图的宽度为88.5ps，高度为0.370V。
<img alt="当粗糙度为20um的时候，眼图的宽度为88.5ps，高度为0.370V" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4c3fbe98-ab96-4947-92e6-c2ae17ea20aa" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE9_2.png" />
从以上的结果，咱们可以看到当铜箔粗糙度的系数（厚度）增加时，眼图的的margin越来越小，抖动（Jitter）越来越大。

有的工程师经常会问到这样一个问题：当信号的速率为多少的时候，在实际项目工程中需要考虑铜箔粗糙度的影响。我的答案是，任何时候考虑都是必要的。但是综合成本和效果来考虑的话，当信号速率超过5G以上的时候，就应当适当的考虑铜箔的选择问题（如果设计要求不高，也可以不考虑）。

所以，当信号的速率越来越高的时候，我们不仅仅需要关注芯片的驱动能力、PCB介质的介电常数、介质损耗角、连接器、线缆等等，还需要考虑到导体（铜）的表面粗糙度的影响。

文章来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NTExMDQ4OA==&mid=2649501204&am…;信号完整性</a>