适当的地面返回通过放置40+ Gbps信号

虽然电子系统的物理设计和制造多年来取得了显著的进步，但印刷电路板(pcb)的尺寸和密度的变化一直是增量的，特别是与集成电路(IC)密度和系统互连数据速率的指数级增长相比。事实上，在过去的30年里，IC密度增加了10万倍，而PCB密度增加了3倍[1,19页]。因此，一个具有挑战性的工作频率和标准PCB尺寸的收敛迫在眉睫。例如，尽管努力保持28+ Gbps的存根长度小于5密耳，但很少有人认识到表面安装垫存根延伸到焊接连接器引脚的背面通常明显长于5密耳。

特别关心和关注的这篇论文是在信号通孔附近布置地面回通孔。几十年来，硬件和布局工程师根据最佳实践、民间传说和恐惧，通过层转换在信号附近添加grv，但他们对grv需要在哪里以及为什么需要grv知之甚少。神秘和误解导致了重新路由和浪费PCB空间。随着数据速率的不断提高，将大量的频谱内容推向40GHz到60GHz区域，将这些grv放置在它们能够完成工作的地方将变得更加重要和困难。的目标这篇论文是用实际例子描述grv的作用和行为，以告知设计和布局工程师的直觉和工程判断。

图1显示了在1毫米间距球网格阵列下的8个单端信号，与路由层的等效~100 mil通径所示，旁边是相同的测量数据。八个信号通路中的每一个都被四个grv包围。然而，grv的模式各不相同，这取决于每个信号落在交替的2毫米grv阵列中的位置。标记为“菱形”的站点的grv与相关信号的通径(1毫米)更接近，而标记为“正方形”的站点的grv与相关信号的通径(1.4毫米)更接近。测量数据(右侧)显示，“方形”信号的插入损耗(IL)在40 GHz时下降到-40 dB，而“菱形”信号的IL继续线性下降。这是怎么可能的，仅仅由于地面通过放置，99%的信号丢失了一半的信号，而IL的另一半表现良好?此外，在相同的电介质材料中，一个100密耳的微小结构如何表现出超过15英寸的损耗?这篇论文将证明答案在于理解通过返回电流的相互作用。

图1:PCB测试结构和产生的信号IL

这篇论文将展示当grv距离太远而无法达到当前的数据速率时会发生什么。当信号通过到图1中的grv的距离大于大约四分之一波长时，该结构以相对较高的q共振。它实际上是一个微波滤波器。为了避免图1所示的过量IL，这篇论文将定义一个间隙率距离(GRD)指标，可以很容易地应用于PCB布局中的GRV放置。

我们将在模拟和测量中使用三个指标来衡量受GRV放置影响的无源互连的有效性:IL，时域反射(TDR)和串扰。虽然IL目前最受关注，因为它既能降低信号振幅，又是码间干扰的主要来源，但SerDes均衡方案和低损耗材料已经有效地缓解了IL效应。然而，正如作者长期以来所断言的[2,3,4]，由TDR测量的传输路径不连续是码间干扰的一个严重来源，而且明显更难均衡。事实上，随着小型化对电子产品的影响越来越大，不连续正在成为链路故障的主要原因[1，第4章]。

图2中测量的TDR表明，在图1中影响IL的GRV位置也会导致传输路径中意外的不连续。对于~15 ps，与当前数据速率相关的扰动，“方形”位点的信号通过阻抗始终比“菱形”位点高5欧姆。虽然一个这样的通孔阻抗的增加可能不是一个严重的问题，沿传输路径的多个不规则通孔可能会造成严重的损害。

图2:八个测试信号通孔的测量TDR

最后，根据实测数据和模型得出这篇论文将显示，随着数据速率的增加，串扰将成为严重的损害。如图3所示，测量结果表明，在较高频率下，“方形”站点(金色)之间的串音高于“方形”站点和“菱形”站点之间的串音(蓝色)，而“菱形”站点之间的串音又高于两个“菱形”站点之间的串音(黑色)。串扰随着频率的增加而迅速增加，主要是GRV配置的函数。从布局中还可以注意到，与通常考虑的串扰尺寸相比，信号通孔彼此之间根本不“接近”，这表明电容耦合之外的一些影响正在起作用，正如将演示的那样。虽然差速传动在一定程度上改善了这种情况，但在这种情况下也会出现类似的现象。

图3:信号通孔的测量串扰

这篇论文是作者的计算效率和基于结构的方法的自然扩展，通过建模[5,6,8]来包括更高频率的影响。虽然目前许多应用都使用差分传动，这篇论文将集中于单端传输，因为GRV的作用更容易说明和理解。但是，我们将在本文末尾的7.1节中简要介绍差动传动。

这篇论文这里的引用获得2022年设计展最佳论文奖。阅读全文DesignCon 2022纸,下载PDF．