深度論證-高速走線(xiàn)控制100歐姆阻抗一定是最好的選擇嗎？

高速先生成員--黃剛

對于高速差分信號到底需要控制多少歐姆的阻抗，高速先生相信大部分工程師首先都會(huì )看下例如信號的協(xié)議文檔或者芯片的文檔，看看里面有沒(méi)有推薦的控制阻抗值。例如像PCIE信號，在4.0之后的阻抗會(huì )明確要求按照85歐姆來(lái)控制，USB阻抗會(huì )要求控制90歐姆等。除了這一部分有明確的阻抗要求外，其他沒(méi)明確要求的高速信號你們會(huì )控多少歐姆阻抗呢？就好像為什么PCB的單端走線(xiàn)要控制50歐姆一樣，差分走線(xiàn)如果沒(méi)有明確協(xié)議規定，那就按100歐姆來(lái)控制。很多工程師其實(shí)都不一定很清楚的知道內在的理論和原因，但是也會(huì )潛意識的控制100歐姆，可見(jiàn)100歐姆差分線(xiàn)這個(gè)觀(guān)念是多么的深入人心！

但是，深入人心歸深入人心，本文想探究的是：100歐姆真的是在任何產(chǎn)品中最好的阻抗選擇嗎？當然，從反射的理論來(lái)說(shuō)，如果從收發(fā)芯片的負載到PCB的每個(gè)地方鏈路的阻抗都完美的做到100歐姆的話(huà)，那高速線(xiàn)控100歐姆肯定是最好的選擇啦！意味著(zhù)鏈路上的任何地方阻抗都匹配，完全沒(méi)有反射的存在，這還能不好嗎？

真實(shí)情況會(huì )怎么樣呢？為了能有說(shuō)服力，本文舉2個(gè)真實(shí)項目的仿真案例，大家一起細品細品哈！

案例一：板內芯片到芯片的25G信號仿真案例

在芯片到芯片的PCB鏈路中，除了PCB走線(xiàn)外，一定會(huì )存在一些阻抗不連續的結構，如上面的案例中，BGA兩端會(huì )存在過(guò)孔，接收端一般還會(huì )有交流耦合電容。有一定仿真經(jīng)驗的小伙伴們都知道，像BGA的過(guò)孔，電容這個(gè)位置的阻抗一般來(lái)說(shuō)都很難做到100歐姆，大部分的case無(wú)論怎么優(yōu)化，都會(huì )低于100歐姆。這個(gè)時(shí)候我們來(lái)驗證如果這幾個(gè)阻抗不連續點(diǎn)的阻抗達不到100歐姆，例如做到比較理想的95歐姆左右的情況下，PCB走線(xiàn)分別按照100和降低到95歐姆控制時(shí)的無(wú)源仿真性能對比。

首先我們來(lái)看看芯片到芯片鏈路TDR阻抗的對比，也就是PCB走線(xiàn)選擇默認的100歐姆和降低到95歐姆來(lái)控制時(shí)的差異。

當然從TDR阻抗來(lái)看，不能很直觀(guān)的看到差異，于是我們來(lái)看另外兩個(gè)更關(guān)鍵的指標，那就是插損和回損的指標。

從插損的指標看，在優(yōu)化好幾個(gè)不連續點(diǎn)后，雖然100歐姆走線(xiàn)的仿真性能也就很不錯了，但是從仿真結果能看到，95歐姆PCB走線(xiàn)的結果更有優(yōu)勢，無(wú)論是從回損還是插損的角度看，都是性能更好的一方。

案例二：經(jīng)過(guò)背板連接器的芯片到芯片的25G信號仿真案例

另外一個(gè)案例就是跨版的25G信號的case了，整個(gè)系統的連接關(guān)系如下所示：

前面單板上的BGA過(guò)孔的阻抗就不再敘述了，這里要關(guān)注的是跨版連接的高速連接器這個(gè)地方。本案例中用到的這款高速背板連接器是某知名廠(chǎng)家的產(chǎn)品，是一款在這個(gè)速率下很通用，得到有效驗證的連接器。

這款連接器廠(chǎng)家的標稱(chēng)阻抗是多少呢？92歐姆，不是你們想象中的100歐姆哦。我們拿到其中的一對連接器信號的阻抗來(lái)看，的確也差不多。90歐姆出頭的樣子。

那我們還是一樣，這個(gè)系統的三塊互連的板子，我們分別把高速走線(xiàn)的阻抗按照100歐姆和降低到92歐姆來(lái)控制，看看性能的對比。

首先我們還是看看整個(gè)鏈路的TDR阻抗的對比，能明顯看到兩個(gè)連接器的低點(diǎn)，如下所示：

那么插損和回損的性能對比又是怎么樣的呢？還是讓大家失望了，三塊板子控制92歐姆的走線(xiàn)還是會(huì )比100歐姆走線(xiàn)的性能來(lái)得好。

當然，這中的理論有點(diǎn)復雜，這里就不展開(kāi)來(lái)分析了。從設計的角度來(lái)看，如果沒(méi)明確的要求，硬件工程師或者設計工程師按照100歐姆來(lái)控制高速走線(xiàn)本身也沒(méi)太大的問(wèn)題，我們很多case按照100歐姆的差分信號設計也是完全沒(méi)有問(wèn)題。本文更多的可能是給大家一種另類(lèi)的思路，去尋找一些更優(yōu)的設計方案。但是還是要弱弱的告示下哈，如果不經(jīng)過(guò)比較精確的仿真，還是不要隨便去嘗試，因為你并不知道多少才是好，只有仿真才能很好的把鏈路的性能給量化出來(lái)，設計的朋友請謹慎使用這招，用得不好還是很容易翻車(chē)的哦！

問(wèn)題來(lái)了：

列舉下大家的產(chǎn)品在PCB設計中常見(jiàn)的阻抗不連續的地方，并簡(jiǎn)單描述下你們的設計優(yōu)化方法？