潘一飛，周 昊

（1.南京理工大學(xué)，南京，210094；2.南京陸軍指揮學(xué)院，南京，210045)

0 引言

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域及其工業(yè)應(yīng)用中，輸入輸出一直是非常重要的組成部分。但是，隨著數(shù)字信號(hào)處理的信號(hào)越來(lái)越復(fù)雜，速度越來(lái)越高，可靠的板間數(shù)字通信也變得越來(lái)越困難了。如果還使用早期的并行總線系統(tǒng)，就會(huì)出現(xiàn)輸入輸出端口不夠，端口間難以對(duì)齊等問(wèn)題。而Gbit收發(fā)器以較大的數(shù)據(jù)流量，較少的輸入輸出端口數(shù)量，較小的電磁干擾和較低的價(jià)格成為當(dāng)今解決高速大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)重要方式。

1 Gbit收發(fā)器的特點(diǎn)

1.1 高速數(shù)據(jù)流

一些較大容量的可編程邏輯器件擁有20個(gè)以上的Gbit收發(fā)器，每個(gè)收發(fā)器帶寬按10Gb/s來(lái)計(jì)算，總帶寬可以達(dá)到200Gb/s。雖然這只是一個(gè)特例，但也可以看到Gbit收發(fā)器能夠給我們帶來(lái)的較大的帶寬，可以用在高速大容量數(shù)據(jù)的傳輸上，比如高清的視頻和音頻等等。

1.2 端口數(shù)量少

當(dāng)我們需要從一個(gè)器件上輸入或輸出高速的大容量數(shù)據(jù)的時(shí)候，往往首先會(huì)遇到輸入輸出端口數(shù)量不夠的問(wèn)題，而Gbit收發(fā)器能夠用較少的端口給我們帶來(lái)很大的帶寬，下面是高清視頻混合器應(yīng)用中，使用并行數(shù)據(jù)流和使用Gbit收發(fā)器設(shè)計(jì)的串行數(shù)據(jù)流所用輸入輸出端口的比較：

?

可見(jiàn)Gbit收發(fā)器能夠在很大程度上為我們解決端口數(shù)量的問(wèn)題。

1.3 同步開(kāi)關(guān)輸出影響小

在使用并行總線系統(tǒng)的時(shí)候，我們一般都會(huì)使用同步開(kāi)關(guān)輸出，然而，很多開(kāi)關(guān)的同時(shí)跳變往往會(huì)引起地面反射而引入大量噪聲。為了防止噪聲需我們往往會(huì)使用差分信號(hào)對(duì)，而這樣又會(huì)使得輸入輸出端口加倍。

這種情況下可以考慮Gbit收發(fā)器，它是差分信號(hào)，端口又比較少，是很好的選擇。

1.4 電磁干擾小

高速的串行鏈路往往要比并行總線鏈路輻射少，因?yàn)镚bit收發(fā)器的運(yùn)行對(duì)信號(hào)完整性的要求特別高，就如一位專家所說(shuō)：“電磁干擾的問(wèn)題往往是信號(hào)完整性的問(wèn)題。

1.5 價(jià)格低廉

用Gbit收發(fā)器的系統(tǒng)往往要比用并行總線的系統(tǒng)花費(fèi)少一些，因?yàn)樗姆庋b小，本身價(jià)格比較便宜。

對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，端口變少了，板子也容易設(shè)計(jì)。比如在一個(gè)視頻混頻應(yīng)用中，并行總線系統(tǒng)需要比高速串行系統(tǒng)使用更多的集成電路，這樣會(huì)使得整個(gè)板子的費(fèi)用成倍增加。

2 印刷電路板設(shè)計(jì)

即使是有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的印刷電路板設(shè)計(jì)者，對(duì)Gbit收發(fā)器的PCB設(shè)計(jì)也會(huì)十分小心和慎重。因?yàn)镚bit收發(fā)器速度非常高，對(duì)PCB布線有很高的要求，比如差分路徑必須相匹配、PCB層數(shù)對(duì)阻抗的影響必須考慮、功率分布必須仔細(xì)嚴(yán)格地分析等，設(shè)計(jì)者往往要作數(shù)以萬(wàn)計(jì)的決策和平衡。為了幫助大家更好地進(jìn)行Gbit收發(fā)器的PCB設(shè)計(jì)，下面提出幾點(diǎn)建議：

2.1 材料選擇

絕緣材料FR-4是當(dāng)今PCB制版的主要材料，一些低損的替代品也是現(xiàn)成的。基本的原則是當(dāng)傳輸?shù)目傞L(zhǎng)度小于50厘米，速度在3.125Gb/s以下的時(shí)候，F(xiàn)R-4可以滿足要求。但是如果我們傳輸?shù)穆窂奖容^長(zhǎng)或者速度比較快的話，建議用高速材料（比如ROGERS 3450等）。

2.2 板材厚度

選定材料后就要進(jìn)行板層的設(shè)計(jì)了，不同的PCB板層數(shù)就有不同的板層設(shè)計(jì)，但是我們必須牢記一點(diǎn)：Gbit收發(fā)器的走線層必須用相鄰的電源層和地層包起來(lái)，防止外部電路和Gbit收發(fā)器走線電路相互影響，使得信號(hào)質(zhì)量變差。

2.3 電源層和地層的設(shè)計(jì)

Gbit收發(fā)器中的這些模擬電壓比較特殊，脈沖的寬度都是ps級(jí)別，因此要為每個(gè)模擬電源提供一個(gè)單獨(dú)的平面；參考平面的話，要用隔離和過(guò)濾地平面；當(dāng)信號(hào)領(lǐng)域沒(méi)有達(dá)到千兆級(jí)的速度的時(shí)候，建議盡量不用數(shù)字電源平面。

2.4 過(guò)孔

Gbit差分路徑盡量不要a跨層，如果確實(shí)需要層過(guò)度的話，我們必須格外小心。首先，我們必須把兩個(gè)參考平面相連接以提供一個(gè)完整的返回路徑，最好兩個(gè)參考平面都是地平面，這樣的話，返回路徑就可以通過(guò)連接到最近的過(guò)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)，既縮短了路徑，也提高了可靠性。

如果參考平面不同（一個(gè)是地，一個(gè)是電源），那么在靠近傳輸過(guò)孔的地方，要放置一個(gè)0.01uF的電容，把不同參考平面的影響消除掉。

考慮高速信號(hào)從里層走到頂層的情況，這種情況下信號(hào)也會(huì)沿著過(guò)孔走到底層的焊盤(pán)，這對(duì)高速信號(hào)是有影響的。在這種情況下我們就需要使用背鉆技術(shù)。如下圖所示，在電鍍以后，焊盤(pán)帶來(lái)的影響就能夠消除。

2.5 差分對(duì)之間的間隔

差分對(duì)與差分對(duì)之間不能緊緊地挨在一起，必須留有比較大的空間，最基本的原則是差分對(duì)與差分對(duì)之間的間隔至少是同一差分對(duì)正負(fù)信號(hào)線間隔的五倍。

2.6 地隔差分對(duì)

如果不適用差分對(duì)間隔法的話，另一項(xiàng)技術(shù)就是地隔差分對(duì)法，就是在差分對(duì)與差分對(duì)之間用與差分對(duì)平行的地線相隔開(kāi)，這樣的屏蔽效果會(huì)更好，如下圖所示。

圖1 背鉆技術(shù)示意圖

圖2 地隔差分對(duì)示意圖

2.7 差分信號(hào)對(duì)

要想差分對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候能夠緊密耦合和高度匹配，差分路徑長(zhǎng)度是至關(guān)重要的。如果使用材料FR-4，差分路徑差1/4厘米就能導(dǎo)致差分正負(fù)信號(hào)間差18ps，對(duì)Gbit信號(hào)來(lái)說(shuō)，這已經(jīng)能夠影響到信號(hào)的完整性了。別以為1/4厘米聽(tīng)起來(lái)挺多的，如果你使用常規(guī)的布線方式從一個(gè)BGA（球柵陣列分裝）到另一個(gè)BGA，差分對(duì)之間很容易就會(huì)有一個(gè)厘米左右的誤差。所以建議大家一定要使用自動(dòng)路徑匹配PCB軟件。總之，差分對(duì)之間的路徑差一定要控制在1/8厘米以內(nèi)。

2.8 差分布線的寬度和間隔

差分布線的寬度和間隔在PCB板的每一層都應(yīng)該計(jì)算，當(dāng)然制板廠家會(huì)給一些幫助和建議，但我們一定要做到心中有數(shù)，確保他們用的是比較專業(yè)的解決方案，再去根據(jù)他們的方案進(jìn)行調(diào)整。一些制板規(guī)則甚至明確表示，這些參數(shù)的計(jì)算不應(yīng)該讓PCB制板廠家來(lái)計(jì)算。千萬(wàn)不要隨便選一個(gè)差不多的PCB布線模型然后讓生產(chǎn)廠家通過(guò)過(guò)蝕刻或者欠蝕刻來(lái)調(diào)整阻抗，這樣做往往會(huì)帶來(lái)很大的問(wèn)題和隱患。最好是我們自己有專業(yè)的解決方案或擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者。

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