ตำแหน่งที่จะวางความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ในลิงก์ PCB 25Gbps? ผลการจำลองเผยให้เห็นคำตอบที่น่าประหลาดใจ

การแนะนำ: คำถามที่วิศวกรส่วนใหญ่ไม่เคยถาม

ในโลกของ การออกแบบ PCB ความเร็วสูง, การควบคุมความต้านทาน เป็นหัวข้อที่ใครๆก็พูดถึง, แต่มีเพียงไม่กี่คนที่เชี่ยวชาญอย่างแท้จริง. วิศวกรเลย์เอาต์ทุกคนรู้ดีว่าความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ที่ไม่คาดคิดในเส้นทางสัญญาณถือเป็นข่าวร้าย. เราทุกคนต้องการของเรา PCB ความเร็วสูง ลิงค์เพื่อรักษาความมั่นคง, อิมพีแดนซ์คงที่ตั้งแต่ต้นจนจบ — 50 โอห์มสำหรับปลายเดี่ยวหรือ 100 โอห์มดิฟเฟอเรนเชียลสำหรับการติดตามดิฟเฟอเรนเชียล.

แต่ความเป็นจริงนั้นไม่เคยง่ายขนาดนั้น. เส้นทางสัญญาณความเร็วสูงที่สมบูรณ์ไม่เพียงแค่การติดตามเท่านั้น แต่ยังรวมไปถึงจุดผ่านด้วย, ขั้วต่อ, สายเคเบิล, ตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้ง AC, ลูกประสาน BGA, และโครงสร้างอื่นๆ. แต่ละสิ่งเหล่านี้ทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ที่อาจเกิดขึ้น. ในด้านหนึ่ง, เราทุ่มเทความพยายามอย่างมากในการเพิ่มประสิทธิภาพ. ในทางกลับกัน, เราต้องยอมรับว่าความไม่ต่อเนื่องจะส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการเชื่อมต่อความเร็วสูงในระดับหนึ่งอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้.

มีคำถามหนึ่งที่วิศวกรส่วนใหญ่ไม่เคยพิจารณาอย่างจริงจังมาก่อน:

หากลิงค์ของคุณต้องมีจุดต้านทานต่ำ, และคุณสามารถเลือกได้ว่าจะวางไว้ที่ไหน — คุณจะวางไว้ที่ไหน?

ใกล้กับเครื่องส่งสัญญาณ? ใกล้กับเครื่องรับ? อยู่ตรงกลาง? มันยังสร้างความแตกต่างหรือไม่?

วันนี้, เราจะตอบคำถามนี้ด้วยข้อมูลการจำลองจากลิงก์ 25Gbps.

1. ลักษณะทางกายภาพของความไม่ต่อเนื่องของความต้านทาน

ก่อนจะดำดิ่งสู่การจำลอง, เราต้องเข้าใจว่าทำไมความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์จึงทำให้คุณภาพของสัญญาณลดลง.

ลักษณะความต้านทานของสายส่งถูกกำหนดโดยการเหนี่ยวนำและความจุต่อความยาวหน่วย:

${\mathrm{ซี}}_0-\sqrt{\frac{l}{C}}$​​

ที่ไหนl คือความเหนี่ยวนำต่อความยาวหน่วยและC คือความจุไฟฟ้าต่อหน่วยความยาว. เมื่อสัญญาณพบกับการเปลี่ยนแปลงความต้านทานตามแนวสายส่ง, พลังงานสัญญาณส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับไปยังแหล่งกำเนิด. ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนถูกกำหนดโดย:

$\mathrm{ค}-\frac{{\mathrm{ซี}}_l<span\; class="tr\_"\; id="tr\_0"\; data-source="1"\; data-orig="-">-</span>{\mathrm{ซี}}_0}{{\mathrm{ซี}}_l+{\mathrm{ซี}}_0}$

ที่ไหนซีL คือความต้านทานโหลดและซี0 คืออิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ. เมื่อไรซีแอล ≠ซี0, ซี ≠ 0, และการสะท้อนกลับเกิดขึ้น.

สำหรับโครงสร้างไมโครสตริป, ความต้านทานลักษณะเป็นไปตามมาตรฐาน IPC-2141:

${\mathrm{ซี}}_0-\frac{60}{\sqrt{{\mathrm{อี}}_R}}<span\; class="tr\_"\; id="tr\_1"\; data-source="1"\; data-orig="\times ">\times </span>\ln (\frac{8\mathrm{ชม}}{W}+\frac{W}{4\mathrm{ชม}})$

โดยที่ ε*r* คือค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุแผ่นกระดาน, ชม คือความหนาอิเล็กทริก, และW คือความกว้างของรอยเส้น. การเปลี่ยนแปลงใดๆ ในความกว้างของการติดตาม, ความไม่ต่อเนื่องของระนาบอ้างอิง, หรือการแปรผันของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกจะเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ทันทีโดยตรง.

อ้างอิงจาก IPC-2251, การออกแบบเข้าสู่ “ความเร็วสูง” โดเมนเมื่อเวลาที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณสั้นพอที่จะทำให้สายส่งต้องถือเป็นองค์ประกอบพารามิเตอร์แบบกระจายแทนที่จะเป็นองค์ประกอบแบบก้อน. IPC-2251 ระบุเพิ่มเติมว่าเมื่อความยาวการติดตามเกินความยาววิกฤต — โดยทั่วไปหนึ่งในสิบของระยะการแพร่กระจายของสัญญาณในช่วงเวลาที่เพิ่มขึ้น — การออกแบบอิมพีแดนซ์ที่ควบคุมจะกลายเป็นสิ่งจำเป็น. ที่ 25Gbps, โดยทั่วไปเวลาที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 20 ถึง 30 พิโกวินาที, และความยาววิกฤติเป็นเพียงประมาณเท่านั้น 3 ถึง 5 มิลลิเมตร. ซึ่งหมายความว่าเกือบทุกการติดตามจำเป็นต้องมีการจัดการอิมพีแดนซ์อย่างระมัดระวัง.

IPC-2141 ระบุว่าควรเก็บค่าเบี่ยงเบนความต้านทานในช่อง PCB ความเร็วสูงไว้ภายใน 5%, โดยมีช่องทางสำคัญที่ต้องการ 3% หรือดีกว่า. อย่างไรก็ตาม, IPC-2141A ยังรับทราบว่าการกำจัดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์โดยสิ้นเชิงในการออกแบบในโลกแห่งความเป็นจริงนั้นทำไม่ได้ในทางปฏิบัติ — vias, ขั้วต่อ, และแผ่นอิเล็กโทรดจะแนะนำความจุและการเหนี่ยวนำของปรสิตโดยเนื้อแท้.

2. การตั้งค่าการจำลอง: ลิงค์ขนาด 5 นิ้ว 25Gbps

เพื่อตอบคำถามว่าจะวางจุดต่ำสุดของอิมพีแดนซ์ไว้ที่ใด, เราสร้างขนาด 5 นิ้ว (ประมาณ 127 มม) ลิงค์ส่งข้อมูลความเร็วสูงทำงานที่ 25Gbps.

กรณีพื้นฐาน: ในตอนแรกเราได้สร้างการเชื่อมต่อในอุดมคติโดยไม่มีความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ — การเชื่อมต่อทั้งหมดเป็นสายส่งดิฟเฟอเรนเชียล 100 โอห์มที่สมบูรณ์แบบ. เราได้กำหนดโมเดลที่ใช้งานให้กับชิปตัวส่งและตัวรับ. เครื่องส่งส่ง PRBS 25Gbps (ลำดับไบนารี่แบบสุ่มหลอก) รูปแบบผ่านลิงค์ขนาด 5 นิ้วไปยังเครื่องรับ.

ผลการจำลอง: แผนภาพตาพื้นฐานแสดงความสูงของตาที่ 360 เอ็มวี. โปรดจำหมายเลขนี้ไว้ — ซึ่งทำหน้าที่เป็นหมายเลขของเรา “คะแนนที่สมบูรณ์แบบ” การอ้างอิงสำหรับการเปรียบเทียบในภายหลังทั้งหมด.

กรณีทดสอบ: จากนั้นเราก็แนะนำจุดต่ำความต้านทานคงที่ในลิงค์ (จำลองการลดลงของความต้านทานที่เกิดจากผ่านหรือขั้วต่อ). เราวางจุดต่ำสุดนี้ไว้ที่ตำแหน่งที่แตกต่างกันสี่ตำแหน่ง: 1 นิ้ว, 2 นิ้ว, 3 นิ้ว, และ 4 นิ้วจากเครื่องส่งสัญญาณ. พารามิเตอร์ลิงก์อื่นๆ ทั้งหมดยังคงเหมือนเดิม.

3. ผลลัพธ์การจำลอง: ความแตกต่างของตำแหน่งนั้นน่าทึ่งมาก

ผลการจำลองสำหรับตำแหน่งทั้งสี่มีสรุปดังนี้:

ตำแหน่งจุดต่ำความต้านทาน	ความสูงของตารับ
ไม่มีจุดต่ำ (พื้นฐาน)	360 เอ็มวี
1 นิ้วจากเครื่องส่งสัญญาณ	186 เอ็มวี
2 นิ้วจากเครื่องส่งสัญญาณ	249 เอ็มวี
3 นิ้วจากเครื่องส่งสัญญาณ	271 เอ็มวี
4 นิ้วจากเครื่องส่งสัญญาณ	298 เอ็มวี

การตีความข้อมูล:

• 1-ตำแหน่งนิ้ว: ความสูงของดวงตาลดลงจาก 360 เอ็มวีถึง 186 เอ็มวี—ก48.3% การลดน้อยลง. สัญญาณสูญเสียไปเกือบครึ่งหนึ่ง.
• 2-ตำแหน่งนิ้ว: ความสูงของดวงตากลับคืนสู่ 249 เอ็มวี—ก33.9% การปรับปรุง เหนือเคสขนาด 1 นิ้ว.
• 3-ตำแหน่งนิ้ว: สูงถึงระดับสายตาแล้ว 271 เอ็มวี—ก45.7% การปรับปรุง เหนือเคสขนาด 1 นิ้ว.
• 4-ตำแหน่งนิ้ว: สูงถึงระดับสายตาแล้ว 298 เอ็มวี—ก60.2% การปรับปรุง เหนือเคสขนาด 1 นิ้ว, และ1.6 ครั้ง ความสูงของดวงตาของตำแหน่งที่แย่ที่สุด.

จุดต่ำความต้านทานเท่ากัน, วางไว้ตามตำแหน่งต่างๆตามลิงค์, ให้ผลลัพธ์แผนภาพตาที่แตกต่างกันอย่างมาก. ผลลัพธ์นี้น่าจะเกินกว่าสัญชาตญาณของวิศวกรส่วนใหญ่.

4. ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? กลไกทางกายภาพ

เหตุใดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์เดียวกันจึงทำให้เกิดผลที่แตกต่างกันเมื่อวางใกล้กับเครื่องส่งและใกล้กับเครื่องรับ? กลไกทางกายภาพหลายอย่างกำลังทำงานอยู่:

1. การซ้อนการสะท้อนหลายจุด

เมื่อสัญญาณพบกับจุดต่ำของอิมพีแดนซ์, พลังงานส่วนหนึ่งสะท้อนกลับไปยังเครื่องส่ง. คลื่นสะท้อนนี้เดินทางกลับ, สะท้อนอีกครั้งที่เครื่องส่งสัญญาณ, แล้วแพร่กระจายไปข้างหน้าเพื่อซ้อนกับสัญลักษณ์สัญญาณที่ตามมา. หากจุดต่ำสุดของอิมพีแดนซ์อยู่ใกล้กับตัวส่งสัญญาณ, ความล่าช้าในการเดินทางไปกลับนั้นสั้น, และคลื่นสะท้อนจะทับซ้อนกับบิตข้อมูลต่อไปนี้อย่างรวดเร็ว, ทำให้เกิดการรบกวนระหว่างสัญลักษณ์อย่างรุนแรง (ไอเอสไอ). ตามแนวทางความสมบูรณ์ของสัญญาณ IPC-2251, การสูญเสียผลตอบแทนควรเก็บไว้ด้านล่าง -20 dB เพื่อลดผลกระทบจากการสะท้อน.

2. การสะสมการลดทอนสัญญาณ

เนื่องจากสัญญาณแพร่กระจายไปตามสายส่ง, มันทนทุกข์ทรมานจากการสูญเสียตัวนำทั้งสอง (ผลกระทบต่อผิวหนัง) และการสูญเสียอิเล็กทริก. ความลึกของผิวหนังถูกกำหนดโดย:

$d-\sqrt{\frac{2}{\mathrm{โอ้}\mathrm{ม.}\mathrm{อัน}}}$

โดยที่ ω คือความถี่เชิงมุม, μคือความสามารถในการซึมผ่าน, และ σ คือความนำไฟฟ้า. ที่ความถี่กิกะเฮิรตซ์, ความลึกของผิวหนังเพียงไม่กี่ไมโครเมตร, และการสูญเสียตัวนำเพิ่มขึ้นอย่างมาก. ยิ่งสัญญาณเดินทางนานขึ้นก่อนที่จะถึงความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์, ยิ่งสูญเสียพลังงานไปมากเท่านั้น— และพลังงานที่เหลืออยู่ในการสะท้อนกลับและทำให้เกิดการรบกวนก็น้อยลง.

นี่คือสาเหตุว่าทำไมจุดต่ำของอิมพีแดนซ์จึงอยู่ห่างจากตัวส่งสัญญาณมากขึ้น (หลังจากเกิดการลดทอนสัญญาณมากขึ้น) มีผลกระทบต่อแผนภาพตาน้อยกว่าความไม่ต่อเนื่องนั้นไม่ได้เปลี่ยนแปลง; สัญญาณที่มาถึงก็มีน้อยลง “ความแข็งแกร่ง” ซ้าย.

3. เวลาที่เพิ่มขึ้นและการทับซ้อนชั่วคราวของการสะท้อน

ยิ่งเวลาเพิ่มขึ้นของสัญญาณสั้นลง, คลื่นที่สะท้อนกลับมีแนวโน้มที่จะซ้อนทับกับสัญญาณหลักในโดเมนเวลา. ที่ 25Gbps, ช่วงเวลาหน่วย (UI) เป็นเพียง 40 พิโกวินาที. ความล่าช้าในการสะท้อนใดๆ สามารถทำให้เกิดการรบกวนภายในสัญลักษณ์เดียวกันหรือที่อยู่ติดกัน. เมื่อจุดต่ำสุดของอิมพีแดนซ์อยู่ใกล้กับตัวส่งสัญญาณ, คลื่นที่สะท้อนกลับมาอย่างรวดเร็วและทับซ้อนกันอย่างรุนแรงกับสัญลักษณ์ที่ตามมา.

5. ผลกระทบจากการออกแบบ: คุณควรวางความไม่ต่อเนื่องของความต้านทานไว้ที่ใด?

จากผลการจำลองและการวิเคราะห์ทางกายภาพข้างต้น, เราสามารถได้รับแนวทางการออกแบบดังต่อไปนี้:

หลักการ 1: หากคุณไม่สามารถขจัดความไม่ต่อเนื่องได้, วางไว้ใกล้กับเครื่องรับมากที่สุด.

ข้อมูลการจำลองแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการย้ายความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์จากใกล้ตัวส่งไปยังตัวรับในลิงก์ 25Gbps สามารถปรับปรุงความสูงของสายตาจาก 186 เอ็มวีถึง 298 เอ็มวี— ช่องว่างด้านประสิทธิภาพของ 60% สำหรับจุดต่ำอิมพีแดนซ์เท่ากัน, ขึ้นอยู่กับตำแหน่งล้วนๆ.

หลักการ 2: จัดลำดับความสำคัญของความต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ใกล้กับเครื่องส่งสัญญาณ.

บริเวณใกล้เครื่องส่งคือบริเวณที่สัญญาณมีพลังงานมากที่สุด. ความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ใดๆ ในที่นี้จะทำให้เกิดการสะท้อนที่มีศักยภาพในการทำลายล้างสูงสุด. ดังนั้น, ส่วนประกอบที่อาจทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ เช่น แผ่น BGA, จุดแวะ, และตัวเก็บประจุคัปปลิ้ง AC ควรวางให้ห่างจากตัวส่งสัญญาณมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้. อีกทางหนึ่ง, ใช้การเจาะย้อนกลับกับจุดผ่านใกล้กับเครื่องส่งสัญญาณและปรับขนาดแผ่นป้องกันให้เหมาะสม.

หลักการ 3: ใช้การจำลองเพื่อเป็นแนวทางในการวางตำแหน่ง.

อัตราข้อมูลที่แตกต่างกันและความยาวลิงค์ที่แตกต่างกันอาจทำให้ตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดที่แตกต่างกันสำหรับความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์. ในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ, ใช้เครื่องมือจำลอง SI เช่น HyperLynx เพื่อดำเนินการกวาดพารามิเตอร์และประเมินระยะขอบตาในเชิงปริมาณสำหรับตัวเลือกการจัดวางที่แตกต่างกัน. ให้ข้อมูลเป็นแนวทางในการตัดสินใจของคุณ.

หลักการ 4: ให้ความสนใจกับโปรไฟล์อิมพีแดนซ์ของลิงก์ทั้งหมด.

IPC-2141 เน้นย้ำว่าการควบคุมอิมพีแดนซ์ไม่ได้เป็นเพียงการบรรลุค่าเป้าหมายเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวกับการรักษาความต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ทันทีตลอดเส้นทางสัญญาณทั้งหมด. ใช้ทีดีอาร์ (การสะท้อนกลับของโดเมนเวลา) เพื่อทำโปรไฟล์อิมพีแดนซ์ของคุณ พีซีบี และระบุตำแหน่งที่ไม่ต่อเนื่องและขนาดทั้งหมด. ปฏิบัติตาม IPC-TM-650 2.5.5.7a สำหรับขั้นตอนการทดสอบอิมพีแดนซ์คุณลักษณะ.

6. บทสรุป

ความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์เป็นความจริงที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการออกแบบ PCB ความเร็วสูง. แต่ดังที่การทดลองจำลองของเราได้แสดงให้เห็นแล้ว: จุดต่ำความต้านทานเดียวกัน, วางไว้ตามตำแหน่งต่างๆตามลิงค์, สามารถมีผลกระทบได้ตั้งแต่ “หายนะ” ถึง “ยอมรับได้” — และความแตกต่างระหว่างผลลัพธ์เหล่านั้นสามารถกำหนดได้ว่าโปรเจ็กต์ 25Gbps จะประสบความสำเร็จในการหมุนครั้งแรกหรือต้องมีการแก้ไขบอร์ดสามครั้ง.

ครั้งต่อไปคุณจะต้องวางจุดผ่าน, ตัวเชื่อมต่อ, หรือตัวเก็บประจุในรูปแบบ PCB ความเร็วสูง, ใช้เวลาเพิ่มอีกห้านาทีเพื่อถามตัวเอง: ความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์นี้อยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องจริงๆ หรือไม่?

แน่นอน, สถานการณ์ในอุดมคติอยู่เสมอไม่มีความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์เลย. แต่ในโลกแห่งความเป็นจริง, เมื่อไร “ความสมบูรณ์แบบ” ไม่สามารถบรรลุได้, “การเลือกตำแหน่งที่เหมาะสม” เป็นทางออกที่ดีที่สุด.

---

สำหรับการควบคุมอิมพีแดนซ์ PCB, การจำลองความสมบูรณ์ของสัญญาณ, และบริการออกแบบและผลิต PCB ความเร็วสูง, โปรดติดต่อทีมเทคนิคของเราเพื่อตรวจทานการออกแบบฟรี (รีวิว DFM ฟรี) และใบเสนอราคาควบคุมอิมพีแดนซ์. เราให้บริการแบบครบวงจร พีซีบี โซลูชั่นตั้งแต่การจำลองไปจนถึงการผลิตจำนวนมาก.

---

แหล่งข้อมูล:

1. ไอพีซี-2141Aคู่มือการออกแบบสำหรับแผงวงจรอิมพีแดนซ์ควบคุมความเร็วสูง, IPC - สมาคมที่เชื่อมต่ออุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์
2. ไอพีซี-2251คู่มือการออกแบบบรรจุภัณฑ์วงจรอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง, IPC - สมาคมที่เชื่อมต่ออุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์
3. ไอพีซี-TM-650 2.5.5.7aวิธีทดสอบความต้านทานลักษณะเฉพาะ, IPC - สมาคมที่เชื่อมต่ออุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์
4. ข้อมูลการจำลองในบทความนี้อิงตามโมเดลจำลองลิงก์ที่ใช้งาน 25Gbps โดยใช้รูปแบบ PRBS, 5-สายส่ง FR-4 นิ้ว, 100-อิมพีแดนซ์ดิฟเฟอเรนเชียลของโอห์ม.