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高速信号拦路虎 - 玻纤效应


高速信号拦路虎 - 玻纤效应


低速的场景可以忽略掉时间膨胀与尺寸收缩,但高速时可不行 -- 爱因斯坦。


爱因斯坦说得对,补充一点,高速信号还需要考虑玻纤效应 -- 鲁迅。



正如上面两位大佬所说,速率从25Gbps到56Gbps,再到将来的112G,玻纤效应的影响越来越大。


今天我们就来聊聊玻纤效应。


常见的板材一般由玻纤布加树脂组成,如下图所示,玻纤布的空隙由树脂填充,想象一下把棉布浸润满胶水的场景。玻纤布的介电常数约为6.7,树脂的介电常数约为3.2,这就导致板材的介电常数是不均匀的。靠近玻纤的走线感受到的介电常数较大,而在玻纤间的窗口上的走线感受到的介电常数较小,这就是玻纤效应。



       不同的板材有不同的编织密度,如下图所示。玻纤窗口越小,板材介电常数越均匀。
 

玻纤效应会导致差分线的阻抗波动,更重要的是会导致差分线PN间的传播速度不一致,造成skew。速率越高,信号周期越短,skew的影响也就越大。


由于差分线与玻纤的相对位置不可控,所以“玻纤效应引起的skew有多大?” -- 这个问题就跟双色球出哪些号码一样没法预测。


不过,给个区间还是可以的,从多个文献上统计的测试数据来看,玻纤效应引起的最大skew可以达到5ps~10ps/inch的程度。顺便给出下期双色球号码的区间,1~33,中奖了记得分我一份。


5ps~10ps/inch这个skew大不大?换算成走线长度就有点直观印象了,约为30mil~60mil/inch。对比下高速信号PN间等长2mil甚至1mil的要求。



再对比下信号的周期,一般来说高速信号要求skew要小于0.2UI,对于28Gbps信号来讲,0.2UI就是7.2ps,对于56GNRZ来讲,就是3.57ps。对于几英寸长的高速走线来讲,玻纤效应引起的skew已经超出了0.2UI的要求。


玻纤效应引起的Skew具体造成多大危害,我们可以通过仿真来分别从频域,时域的角度来分析一下。


下图为不同Skew的情况下,链路插损的变化,Skew取0ps/7.2ps/17.9ps/25ps/35.7ps,在28Gbps速率下,对应为0UI/0.2UI/0.5 UI/0.7UI/1UI。可以看出,Skew会造成插损的增加。


Skew为0~35.7ps时,链路插损变化(M4 7inch)


随着skew的增加,链路插损增加,谐振点往低频方向移动。在skew为1UI时,谐振点在基频点,损耗最大。从时域上来讲,skew为1UI时,PN相位偏移180°,波形当然也是最差的。Skew为0.2UI时,插损增加约0.5dB,影响较小,而Skew为0.5UI时,插损增加3.2dB,影响较大。这也就是skew要求小于0.2UI在频域上的解释。


下图为不同Skew的情况下,差模转共模(Scd)的变化,skew也会造成差模转共模的能量增加。


Skew为7.2~35.7ps时,链路差模转共模的变化(M4 7inch)



下图为眼图随skew的变化的仿真结果,skew增大,眼睛趋向于闭合。


Skew为7.2~35.7ps时,28Gbps眼图变化(M4 7inch)


下图为眼高眼宽随skew的变化:

Skew为0~1UI时,28Gbps眼高眼宽的变化(M4 7inch)


从上图可以看出,眼高眼宽在0.2UI以内时,变化相对较小,0.5UI时变化较大,与频域上的插损结果一致,skew需要控制在0.2UI以内。如果不做优化,玻纤效应引起的skew会造成25Gbps/56Gbps眼图余量减少,甚至导致眼睛闭合。


那么,要怎样才能降低玻纤效应的影响呢?


莫慌,吾有良药五方,诸君酌情服用。-- 华佗



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