高速串行总线设计基础（十一）MGT设计中的硬件挑战

前言

正如上篇文章所言：常用MGT协议简介以及自定义协议示例：了解各个挑战是开始解决任何工程问题的关键。设计多吉比特收发器（MGT）时，挑战包括理解收发器协议，信号完整性，阻抗和电源要求，屏蔽要求，印刷电路板（PCB）设计要求以及连接器和电缆选择要求。本文正式介绍除收发器协议之外的这些挑战！

信号完整性

为了使信号具有完整性，信号必须是可靠的（也就是说，是可重复和可预测的）。我们需要知道它要做什么。信号还必须是诚实的，或者说是纯洁的，不被破坏的。它必须保持其纯粹的形式，不受他人的影响（串扰），也不受基于环境的负面自我修改（反射）。所以，现在我们就来看看保证信号完整性的三点：阻抗、功率和屏蔽。

为了具有良好的信号完整性，信号必须可靠。也就是说，可重复和可预测。

阻抗

实现信号完整性的第一步是在差分传输线上运行信号。根据定义，传输线有一个固定的、恒定的阻抗。实际上，阻抗并不是恒定的，它是变化的。当信号改变层数、遇到元件的焊盘或穿过连接器或电缆时，这是一个特别的问题。在多千兆范围内工作时，任何阻抗的增加都是一个潜在的问题。多千兆链接需要无阻抗的路径，否则将无法工作。

TDR：时域反射测量法

在布局之前，应先对传输路径进行建模，并使用CAD信号完整性工具对连接器和电缆进行最终确认。然后，当我们得到第一个原型时，应使用时域反射测量（TDR）来验证路径的阻抗。一百欧姆和50欧姆的传输线是最常用的数值。有些收发器可以适应其中一种，有些可能只支持一种。五十欧姆绝对是10Gb/s范围内最常用的方法。如果100欧姆和50欧姆都可以使用，那么连接器和电缆的选择就成为一个关键的考虑因素。

功率

提供电源是使用多千兆收发器的另一个关键因素。大多数MGT有多种电源需求。典型的电源有

• RX模拟电源
• TX模拟电源
• 模拟地线
• RX终端电压
• TX终端电压
• 数字电源
• 数字地。

至关重要的是，模拟发射和接收电源，以及相关的模拟接地都要非常干净。因此，MGT制造商通常会定义要使用的特定电路。这几乎总是需要为每个电压（如果不是每个MGT）配备单独的模拟稳压器，以及一个由电容器和铁氧体磁珠组成的无源电源滤波器。

铁氧体磁珠在低频时具有低阻抗，而在高频时具有非常高的阻抗，如下图。

铁氧体磁珠和电容器的特性非常重要。通常，制造商建议使用特定零件。下图给出了摘自样本数据手册的章节。

在一些MGT中（特别是那些采用倒装芯片封装的MGT），电容器将包含在零件的封装内。在这种情况下，通常只需要铁氧体磁珠。如果制造商推荐了一个特定的电路，通常最好按照确切的建议进行。其中一个原因是，在多个MGT位于一个共同部件中的情况下，通常只需要一个线性稳压器。而我们认为我们的滤波电路是过滤电源噪声到达我们的MGT，同时它也有一定的价值，可以防止一个MGT的噪声过滤到另一个MGT。滤波器既成为输入滤波器，又成为输出滤波器。有时，制造商会根据内部知识在输入滤波器和输出滤波器能力之间进行权衡，以确定需要多少输出滤波器。

除了模拟电源外，还必须考虑数字电源。通常情况下，MGT的数字电源将是所有器件的数字逻辑的通用电源。与任何开关电路一样，旁路是至关重要的。但是，在这种速度下，我们不能只插入几个电容就说旁路完成了。这种方法在几年前还能用，为什么现在不行了？如果我们能找到一些理想的电容器(无电感或电阻)，并使用理想的路线和通线(无电感或电阻)将它们弄到电路板上，而且封装是理想的，等等，这仍然可以工作。随着开关频率和电流需求的增加，曾经可以忽略的ESR和ESL现在不得不考虑了。

• ESL：有效串联电感

• ESR：有效串联电阻

配电和旁路网络的目标是能够在不同的电流下提供正确的电压。旁路电路的设计需要满足每个应用的具体需求。分析的一种方法是看我们电力系统的阻抗及其相关的频率。下图显示了标准应用中通常推荐的三种电容器的频率响应。

注意两个主要问题。一个问题是两个值之间的大阻抗尖峰。如果我们的系统恰好需要在该频率范围内供电，那么我们将遇到问题。

设计我们的旁路电路的一部分是确保这些尖峰位于对我们的特定设计不关键的区域。这可以通过使用不同的电容器来实现。

如图：

另一个问题出现在较高的频率范围。首先变得困难，然后再找不到覆盖范围的电容器。随着电容器的值减小，封装的相关杂散电感和电阻也不会与电容成比例地变化，因此频率响应也不会变化很多。为了以较高的速率获得正确的功率分配，我们需要使用电源和接地层构建自己的电容器。要有效地做到这一点，通常需要使电源平面和接地平面相邻。典型的堆叠如下所示：

绕过的另一个重要方面是放置。通常，上限值越大，放置的重要性就越小。最小值要尽可能靠近电源和接地引脚。在FPGA内部使用MGTS时，通常可以使用的一种方法是删除走线和未使用的通用IO，以为旁路留出空间。如图所示。

屏蔽

无论信号在板上，电缆上还是通过连接器，任何多千兆信号都需要隔离，以防止其他信号的干扰和被干扰。这可以通过使用连接器和电缆进行隔离和屏蔽来实现。在PCB上，多吉比特信号应通过使用额外的空间与其他信号隔离，并应通过接地或电源平面与其他层的平行线隔离。

板，连接器和电缆

在设计使用千兆位串行流的系统时，组件选择和电路板设计至关重要。错误的连接器，边缘堆积或错误的PCB材料都可能完全破坏MGT项目。

印刷电路板设计

对于最优秀的PCB设计人员来说，设计多千兆操作的PCB是一项挑战。差分线必须匹配，阻抗控制的差分对的几何形状必须随着层数的增加而调整，并且需要对功率分布进行严格的分析。虽然会有成千上万个单独的权衡和决定，但一个整体的问题清单会有所帮助。这个问题清单可能包括以下内容。

• 材料选择
• 叠层/板厚
• 电源和接地层
• 差分对
• 差分走线宽度和间距
• 通孔
• 对之间的空间
• 对之间的接地保护
• 电源布局

材料选择

虽然FR-4已成为标准板材料多年，但一些低损耗的替代品已变得唾手可得。一般来说，对于总线长小于20英寸、速度在3.125Gb/s或以下的线路，FR-4可能是可以接受的。如果我们需要更长的走线或更快的速度，我们应该认真考虑使用高速材料，如ROGERS 3450。

堆叠/板厚

一旦我们选择了材料，下一步将是制定总体堆叠计划。这可能会随着确定信号层的数量而改变，但是我们将需要在整个过程中牢记堆栈。不要忘记添加相邻的电源和接地层，以改善旁路性能。

电源与接地层

我们需要考虑如何分配所有这些特殊的模拟电压。对于每个模拟电源，我们可能需要考虑单独的平面。隔离和滤波作为MGT信号参考平面的接地平面可能是一个好主意。我们还可以考虑从运行速度低于千兆位的信号区域中消除数字电源平面。

差分对

为了获得最佳结果，我们应将差分对紧密耦合并紧密匹配。走线长度匹配至关重要。在FR-4中，走线长度相差100密耳（十分之一英寸）会导致正信号和负信号之间的差异大约18皮秒。这也足以引起问题。而且，虽然如果我们仅使用从一个BGA到另一个BGA的常规走线，听起来十分之一英寸可能很多，很容易最终产生300到400密耳的差异。如果我们的PCB工具具有自动跟踪匹配功能，则需要使用它。通常，我们希望差分走线长度的差值不超过50密耳。

差分走线宽度和间距

这将需要为每个特定的堆叠制定。电路板代工厂可以是一个宝贵的资源，但我们需要确保他们知道他们在做什么。一些出版的指南建议不要让PCB供应商做这些计算。我们需要确保他们使用现场求解工具来计算紧密耦合对的宽度和间距。然后我们需要相应地调整我们的电路板。我们绝对不应该使用的一种技术是仅仅选择一个接近的几何形状，然后让电路板代工厂用过蚀或欠蚀来调整阻抗。如果我们有一个本地的、内部的现场求解程序和专业技术来使用它，那就更好了。样品几何形状如下图所示。

通孔

应尽可能避免在多千兆差分线上换层。如果需要进行层间转换，我们必须格外小心。首先，我们必须提供一个完整的返回路径。要做到这一点，我们必须将层A的参考平面与层B的参考平面进行耦合，理想的情况是将两个参考平面都接地。在这种情况下，返回路径是通过在靠近用于进行过渡的通道上放置一个连接平面的通道来创建的。下图说明了该技术。

如果参考平面不共用（一个是gnd，一个是pwr），那么应该在两个平面之间放置一个0.01μF的电容，尽可能地靠近过渡通道。下图对此进行了说明

通孔的另一个问题是它们代表一个桩。显然，我们知道在传输线中引入存根是个坏主意，如下图：

考虑将信号从内层传输到顶层的通孔。通孔也到达底层，而通孔的未使用部分是桩。避免这种残桩的一种方法是一种称为回钻的技术。电镀后，通过钻孔去除通孔中未使用的部分（如图下部的钻头所示）。

任何高于5 Gb / s的设计都应认真考虑回钻通孔（见下图）。

对间距

重要的是，在承载多千兆位信号的差分对与其他走线之间保持足够的距离。一个普遍的规则是，在相邻的线对之间应将线对的两个信​​号之间的距离至少间隔五倍（如下图）。

线对之间的接地保护

另一种技术是将接地保护装置平行于差分走线布线。使用平行于走线的过孔将保护平面绑回到参考平面通常可以改善这种屏蔽方法。

电源布局

在“为MGT供电”部分中讨论的许多项目也具有电路板布局的含义。必须仔细考虑相对于电源引脚和信号走线的铁氧体磁珠和对模拟电源进行滤波的电容器的位置。

连接器选择

千兆位信号只能使用高速连接器。像路径中的其他所有内容一样，高速连接器具有受控的阻抗。尽管连接器的阻抗从未像PCB走线那样连续，但高速连接器比普通连接器要好得多，如下图。早期的高速连接器设计用于单端和差分信号。最新，最快的连接器专为差分对而设计。以下是高速连接器的一些示例：

• Gbx
• VHDM-HSD
• VHDM
• HDM
• High Density Plus
• Z-PACK HM-Zd
• Z-PACK HS3

如果按照预定义的协议或总线进行设计，标准可能已经对连接器进行了选择。如果没有，除了信号数量、密度和尺寸等正常的连接器问题外，还需要考虑的一些问题包括：

• 带宽
• 屏蔽
• 差分对
• 最大边缘速率。

带宽

考虑该部件的速度以及它的成功使用速度。许多早期的千兆连接器最初规定的速度是1或2 Gb/s，但现在已经广泛用于3 Gb/s。

屏蔽

考虑一下信号如何相互屏蔽以及不受其他外部影响。连接器的侧面可能存在屏蔽问题。

差分对

连接器是为差分对设计的，还是仅适用于差分对？

最大边缘速率

我们是否考虑过最大边缘率？如果进入连接器的信号边缘太快，则会在连接器中发现常见的串扰源。我们必须知道我们的连接器可以处理什么以及我们希望通过它发送什么。

电缆选择

如果在定制应用中采用盒对盒，我们需要选择电缆/连接器方案。首先要考虑的是信号的传输距离，以及信号是否可以使用铜缆走到这个距离，或者我们是否需要转换为光纤。如果距离在20米以下，速度在6千兆以下，那么铜缆可能可以使用。

Infiniband电缆是许多千兆位应用中使用的一种电缆。该电缆最初是为Infiniband应用中的2.5 Gb / s操作而设计的，现已针对光纤通道，CX4（10千兆位以太网）和其他用途进行了修改和略微修改。它具有1对，4对和12对变化。

另一种有趣的电缆选择是设计用于插入背板型连接器的电缆组件。这些组件可以在机柜内使用，有些还包括EMI屏蔽，以实现盒对盒的连接。

目前正在研究许多其他用于千兆位电缆的电缆，包括同轴电缆和熟悉的Cat 5双绞线。

参考资料

我们已经看到，对于高速串行设计，信号完整性考虑因素在设计过程中起着非常重要的作用。 Xilinx还提供了另一个出色的在线资源，称为[Signal Integrity Central](http://www.xilinx.com/signalintegrity)，可以轻松访问有关SI基础知识，PCB设计工具，计算器和估算器，电源和PDS设计注意事项的文章和论文，散热设计指南和其他SI资源。