The Pulse:一个10GHz的输电线路也许不是10GHz

原文http://www.pcbdesign007.com/pages/columns.cgi?artcatid=&clmid=49&artid=75188&pg=1

什么时候一个10GHz的传输线不是10GHz传输?

一个简单的问题。答案可能有一大堆,现在你可能会期待我的回答:“看情况。”

“正如在生活中一样,电子产品的唯一可以确定的是不确定性。”——John AllenPaulos。

当然,10GHz是10GHz,对不对?那么,先让我们来看看marketing spin。通常,芯片组和PCB规格文件指的是一个环节的数据处理能力,但在某些情况下,例如,一个22GB/s的链接可能是一对11GB/s通道,甚至四个平行5.5GB/s通道。而且,如果你考虑到数据可以在上升和下降边缘被锁定,锁定率实际上肯能是2.25GHz。突然之间,似乎从一个超乎想象的高频率跌落到“现实世界”的水平。

所以,作为制造商,你真的现在需要深入研究标题,并且和设计师一起找到测试下的通道的真实性质。

在Polar我们经常听到的一个问题是:“我可以用一个TDR来检查我的1 - 2 - 5 - 10 - 20 GHz的PCB吗?”答案是肯定的,是的,“看情况”。“看情况”的一部分,是指受测展品在频率测试中损失大不大。如果线路长度和工作频率,当模拟时沿着层压类型,预测到微不足道的损失,那么该线路的的电阻在几个兆赫上和频率无关。假设有一个适合长度的测试轨迹,阻抗可以用一个带有上升时间的TDR在15ps到250ps之间任何位置测试,一般情况下,比静电放电保护需要更多的考虑。

但是,如果线路有问题,当进行模拟时,显示出巨大的分贝损失,那么一个简单的TDR测试(无论上升时间)可能被证明得不充分。在这种情况下,需要线路性能的更为全面的分析,包括研究与频率相关的损失。这还可以由一个矢量网络分析仪(VNA)或与一个带有后处理软件的TDR来解决。多种技术都在IPC TM-650测试方法手册[1]中提到。

当第一次遇到阻抗时,PCB制造商通常都搞不清楚,“当然这个coupon末端有一个开发电路——所以阻抗必须是无限的?”在直流中这是正确的,但是,以下方程定义了任何传输线阻抗迅速从无限下降到稳定状态:

以下模型清楚地显示了阻抗线从10kHz延伸至10GHz。

图1:50欧姆线显示Z0在直流中走向无限。

图2:50欧姆线显示了在1GHz到100GHz中的Z0。

从这两个图中我们可以看到瞬间阻抗从10MHz到100GHz保持大致相同,那么频率上升的同时发生了什么呢?

虽然瞬时阻抗保持不变,不断增加的频率导致损失增加。2GHz以下,即使在FR4上最宽4至5密尔,1/2盎司铜可能被认为是“无损失”,即所引致的损失小到可以忽略,这些线路核能会在传统TDR设备上测量。2GHz以上,损失可能更加重要——这可以下降到铜尺寸,铜聚丙烯粗糙度,以及使用的电介质材料的类型。同样,当考虑损失时,建模可以用来检查有问题的输电线路是否“在危险之中”。

下图说明了导线,电介质和FR-4上的3和6英寸电路的总损失。

图3:这个FR4上的3英寸电路在2 GHz时只有1dB的损失。

图4:在FR4 6英寸线已超过6dB的损失在8 GHz。

下面的图表总的相同结构显示当考虑铜表面粗糙度时导线和总衰减损失。

图5:当粗考虑粗糙度时,损失几乎达到8dB。

总之,当考虑高频率测试要求时,你永远要看到“规格表的背后”,并且向设计师询问“该速度指的是一个单频道吗?该速度指的是一个比特率还是一个单一频率?”而当你知道这些问题的答案时,你可以和设计师再探讨这些测量是否是简单的无损阻抗输电线路,或者是否还需要输电线路插入损耗的额外信息。

上述所有内容证实了问题的答案:“什么时候一个10GHz的传输线不是一个10GHz的传输线呢?”看情况……

References:

1. Propagation Loss Test Methods Task Group (D-24b), May 2009
IPC-TM-650 Test Methods Manual, Number 2.5.5.12.


Martyn Gaudion, CEO of Polar Instruments Ltd., began his career at Tektronix in the early 1980s where he was responsible for test engineering on high-bandwidth portable oscilloscopes. Gaudion joined Polar in 1990 where he was responsible for the design and development of the Toneohm 950, Polar's multilayer PCB short circuit locator. He became marketing manager at Polar during 1997 as the market for controlled impedance test became a major section of the company's product range, was appointed Sales and Marketing Director in January 2001 and was appointed CEO in January 2010. Gaudion also writes occasional articles for a number of PCB industry publications and regularly contributes to IPC High Speed High Frequency standards development activities. He may be contacted Polar Instruments Ltd., Garenne Park, Guernsey, UK, GY2 4AF; phone:+44 1481 253081; fax: +44 1481 252476. To contact Martyn, click here.