纤维编织效果:倾斜、损失和共鸣

2019年11月14日

示波器测量

这16个GHz示波器测量说明了纤维编织效果可以影响信号的完整性

看看PCB基板的截面与体面的对比,在显微镜下,你会看到底物不是均质材料。PCB复合材料是由纤维编织结构,包裹在玻璃纤维织物的树脂。虽然玻璃编织模式重复整个层压板,整个衬底材料实际上是不均匀的。

这些材料的电性质截然不同,而产生的信号完整性问题包括分散、吸收和有效介电常数的变化以及互连。较小的信号,运行速度较低的时钟频率,积累的斜互连可能太小需要注意,但是这就会有问题,在任何应用程序,需要高数据率。这就是你需要知道的关于纤维编织的效果,以及如何解决这些问题在设计和测试。

纤维编织效应和介电常数

常见的PCB像FR4基板不均匀,这意味着介电常数整个底物不同。PCB层压制品通常是一个方格网玻璃编织,充满了一种环氧树脂提供刚性。这两个材料的电性质是截然不同的:玻璃编织非常低损耗和介电常数附近6。另一方面,环氧树脂有一些损失和介电常数约3或更少。FR4的介电常数和其他基质通常是援引单一度量值在本质上是一个互连长度加权平均的玻璃和环氧树脂折射率。

任何纤维编织效果周期性变化的结果在衬底编织模式。因为重复的衬底材料的介电常数的变化,基体的介电常数也各向异性,即介电常数被一个信号也取决于信号传播方向。

如果你看一个衬底织图,它应该成为有些明显的织如何影响旅行的数字和模拟信号。看一看下面的图。这张图片展示了一个示意性的纤维编织衬底和两个角沿衬底痕迹了。

绿色基质PCB痕迹

两个在PCB基板痕迹,说明纤维编织的效果。

玻璃区域和环氧区域具有不同的介电常数,因此,特性阻抗的跟踪将在每个地区都是不同的。这将影响到所有其他的阻抗值每个地区的痕迹。每个跟踪中的损失也会不同,因为每个地区的有效介电常数是不同的。

应该相当容易看到,每个地区的有效介电常数的函数跟踪的位置,方向角度对纤维编织,编织区域之间的分离。一般来说,与更严格的玻璃衬底编织(即小毛孔玻璃部分)之间会有较小的介电常数的变化。在有效介电常数的差异在这条痕迹跟踪产生两种效果:

积累的斜

信号在每个跟踪需要不同长度的时间沿着这个互连。因此,斜之间积累这些信号,它可以把它们完全不同步。较低的时钟频率,通常这些信号之间的倾斜是太小被注意到,不会注意到只要痕迹长度匹配在一些宽容。然而,随着渠道运行10 Gbps或更高,斜痕迹完全可以使失调之间平行的信号。与微分对,这就消除了共模噪声免疫力并创建一些错误。

阻抗沿跟踪间断和色散

跟踪的有效介电常数决定了阻抗被一个信号跟踪一起旅行。由于衬底介电常数和损失决定了有效介电常数和损失在跟踪,跟踪的阻抗和损失也不同在一个互连。这些影响是最小的,只要是相对较短的痕迹,但更重要的影响,结果在高数据率信号失真是由于在你的PCB基板分散。

如果两个并行路由痕迹沿着相同的编织模式,两个痕迹会经历相同的总谐波失真由于分散,这样可以排除一些错误的可能性。在实际情况下,这几乎是不可能的。由此产生的脉冲畸变以及跟踪变得明显在高数据率。这表现为不同的信号在不同的平行痕迹有稍微不同的时代。

衬底共振周期载荷作用下

这个特殊的问题是忽视研发社区多年。作为互连信号定期注入和传播跟踪,导体内的信号并不局限。部分电磁场会汇聚成基质作为信号跟踪一起旅行。这导致一部分电磁场之间被困的纤维编织和环氧树脂的衬底区域。高折射率玻璃编织和环氧树脂之间的对比会导致反射相对强劲,足以导致反射光和入射波之间的叠加在这些基质蛀牙。

这意味着玻璃编织和环氧树脂之间的空腔共振频谱。FR4,玻璃编织节距60毫升最低阶共振频率(半波长)大约45 GHz。换句话说,数据传输的速度45 GHz(不是45 Gbps,这些并不总是相同的!)将创建一些共振在跟踪周围的基质玻璃和环氧树脂之间的限制。模拟信号的也是如此。这种共振可以创建归纳相声在另一个附近的痕迹。

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