The Pulse:信号完整性——带“S”的词

原文请参考http://www.pcbdesign007.com/pages/zone.cgi?a=72012

有三个词,或者说三个短语是进入PCB行业的要领,虽然有一个短语以及很熟悉了,但是含义不同。都是以“S”开头的,都是和信号完整性相关的。

IPC D24最近开会,讨论了输电线路损耗的测量标准。在会议围绕一个争论主题的背景下,“是的,我们就是这样测量的,但是没有测量失败的电路板也被采用了,制造商怎么能保证他们的电路板能通过测试呢?”这里要开始第一步就是就是理解信号完整性,以及一些新的对PCB成本效益的影响,在高质量制造中的欺骗行为的影响。

好,让我们看看三个“S”词组,即S-参数,表面粗糙度和表皮作用。第一,S参数,是工程师记录在一个频率范围内的传输线的性能。第二,表面粗糙度,是信号完整性的一个主要动力,因为它影响信号丢失;表面粗糙度被第三个词组放大了,表面深度,因为电流的电气倾向,在导线较浅的层次中不断流动,频率增加。

S参数描述了在一个固定频率在无源网络中的表现,全名是散射参数,你也许可以从光学角度想到“散射”——当光从一种介质传播到另一种介质中时,发生了什么。在射频术语中,散射参数描述了当电磁波从一个电阻的传输线传输到一个位置的(被动)电线时发生了什么。“在一个固定频率上吗:”我听到你在提问,“但是可定的是数字传输线有固定的带宽。”回答正确!而且在在高速串行传输数据很长的情况下,一个串行链路带宽确实是非常宽的。所以,你会发现,线路具有超过宽频率范围的特点。这就要求在成百上千的的有限的频率中测量或建模。

使用S参数的简易性是经常保存一个共同的文件形式,称之为Touchstone™文件,偶尔Touchstone文件也被成为“snp”文件,这是它的文件的扩展名,n指的是端口的数量:s1p,一个端口,即终止;s2p,一个单端传输线;s3p,微波混频器;s4p,一个四口线,即一个差分对。唯一的共同的来自高速数字的是s2p和s4p。S参数描述了有多少信号从电线的一头被反射、传输,以及各自信号的相转移。

第二个“S”是表面粗糙度,你可能想到了Paul Reid的专栏“Reid on Reliability”,因为PCB行业一直需要考虑粗糙度水平的要求,以促进层压工艺的附着力,从而确保良好的可靠性。但是,随着频率的上升,传输到了导电线的外面的信号越多(之后会对表皮深度作出更详细的解释),信号丢失的表面粗糙度影响越大。

幸运的是,铝箔和层压板的供应商已经在这方面进行努力了,现在可以提供一系列的外表出奇平滑,同时黏附性能优良的材料。

还在看吗?到目前为止,您已经看到了S参数对于设计者是如何描述传输线的性能,以及表面粗糙读是如何在传输线中影响丢失的了。在今年十月专栏的收官之际,让我们来看看为什么当频率增加时,电流选择更接导电线近表面,这种现象被称为表皮作用

上图是传导电流的振幅和导线(z)深度的关系。有一个传导电流密度Jx,(其中J0是表面电流密度)。距离δ等于z值,当|Jx| = J0/e时。这也是图表中δJ0三角区域的面积。δ称为表皮深度。如果希望对这个话题有更深入的了解,请点击这里

表皮效应对于超高速不是唯一的,表皮效应在所有的交流输电系统中都存在。然而,较低的表皮深度(电流的平均深度)比铜箔厚度要好得多。尽管在60Hz电源线频率下,表皮深度约为8毫米,因此电力线的分布工程师仍然需要牢记这一点。会早数字世界中,1GHz下铜表皮深度只有2微米,所以那里没有太多的铜截面承载电流!微波工程师过去常常用宽痕迹作为弥补,但是从一个高速数字来看,芯片几何尺寸和设计布线密度意味着表皮深度总是要导致信号损失的,因此要使用更平滑的,替代胶黏剂的使用。

就是你看到的这些了:这三个词在制造和设计行业中不断攀升,随着选择高速信号方法越来越多地在损耗传输线高速差分对,它们无疑将继续受到人们的关注。