DesignCon文章解讀之玻纖效應(yīng)限制了我們對(duì)高速的想象？

高速先生喜歡把信號(hào)傳輸比喻成在公路上開車，道路的平坦度很像我們的銅箔粗糙度，你在崎嶇不平的路上開車不可能開得很快，就好像信號(hào)在比較粗糙的普通銅箔傳輸，越高速損耗越大。實(shí)際上信號(hào)還存在著等長(zhǎng)不等時(shí)的情況，一樣長(zhǎng)度的信號(hào)，在介質(zhì)的不同位置傳輸，他們到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也會(huì)不一樣。

業(yè)界把這種由于介質(zhì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸延時(shí)有差異的現(xiàn)象叫玻纖效應(yīng)。其實(shí)這個(gè)概念早在10G設(shè)計(jì)仿真的時(shí)候就存在了，說明它的危害在這個(gè)頻段就已經(jīng)開始突顯了。但是玻纖效應(yīng)還是一個(gè)不好去量化的現(xiàn)象，也不是必然出現(xiàn)或者必然不出現(xiàn)的情況，所以我們對(duì)玻纖效應(yīng)的仿真只能去等效或者定性的去分析趨勢(shì)。

這篇paper卻給了我們一種能夠定量分析的方法，用仿真校準(zhǔn)、用公式去擬合，是一種全新的思路。題目也非常通俗易懂：如何對(duì)玻纖效應(yīng)去建模校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果，同時(shí)也從一些設(shè)計(jì)角度來說明它的影響。

首先本文先測(cè)試結(jié)果的角度出發(fā)，希望找到玻纖效應(yīng)的worst case的影響，正如上文所說，我們很難找到玻纖效應(yīng)引起的最差的結(jié)果，因此方法就是增加測(cè)試的樣本，用統(tǒng)計(jì)的方式去處理，從大量樣本的提取增加找到worst case的機(jī)會(huì)。

為此本文做了一塊測(cè)試板來專門分析，分析不同的走線方向，板上不同的區(qū)域，不同的玻璃布情況下的測(cè)試結(jié)果。

我們可以看到從X方向到Y(jié)方向的走線在不同的玻璃布和板上位置的差分對(duì)間的skew如下所示：從測(cè)試結(jié)果還是能看到一些結(jié)論，例如玻纖效應(yīng)并不是兩個(gè)方向都如此惡劣，會(huì)有一個(gè)方向好一點(diǎn)，一個(gè)方向差一點(diǎn)。

實(shí)際上從本文針對(duì)這個(gè)測(cè)試結(jié)果也并沒有很完全的結(jié)論，還是認(rèn)為測(cè)試并不一定能反映玻纖效應(yīng)最惡劣情況。

所以本文就有了用建模的方式去說明玻纖效應(yīng)的動(dòng)力。

對(duì)于建模的方法和過程也是有了說明，首先是從測(cè)試結(jié)果出發(fā)，分析測(cè)試結(jié)果的差分線P和N之間的skew，然后通過真實(shí)的切片來確認(rèn)玻纖布和樹脂的位置參數(shù)，例如pitch大小，然后根據(jù)切片的參數(shù)進(jìn)行三維的建模，然后對(duì)模型進(jìn)行仿真，在校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果后，就可以通過掃描模型相關(guān)參數(shù)位置的方法仿真得到最差的情況。

再詳細(xì)點(diǎn)的步驟如下，其實(shí)也很簡(jiǎn)單易懂。

1，根據(jù)切片進(jìn)行建模

2，對(duì)模型進(jìn)行仿真

3，進(jìn)行仿真測(cè)試的校準(zhǔn)擬合，通過設(shè)定各項(xiàng)的目標(biāo)去掃描玻璃布和樹脂的DK，DF值。

單根N和P走線損耗的校準(zhǔn)目標(biāo)為1dB：

相位的校準(zhǔn)為0.2%的誤差目標(biāo)：

對(duì)時(shí)域TDT的校準(zhǔn)，確定仿真的玻璃布和樹脂的DK、DF值。

我們得到一個(gè)良好的仿真測(cè)試校準(zhǔn)精度后，就可以通過掃描走線的位置去得到仿真的worst case結(jié)果，如下所示：

在這里本文也給了一個(gè)建模仿真的結(jié)論，其中重要的一條就是認(rèn)為經(jīng)過校準(zhǔn)之后，可以比測(cè)試更容易得到玻纖效應(yīng)的worst case情況。

上面是本文的第一大塊的內(nèi)容點(diǎn)，然后我們進(jìn)入第二塊內(nèi)容，分析玻纖效應(yīng)對(duì)PCB設(shè)計(jì)的影響，主要分析差分線是強(qiáng)耦合走線表層和差分線弱耦合走在內(nèi)層的區(qū)別。

我們的建模模型如下所示：

我們可以看到，在松耦合帶狀線的情況下，skew對(duì)損耗的影響非常大，會(huì)在對(duì)應(yīng)頻段出現(xiàn)很尖峰的諧振點(diǎn)。

而且還有很重要的一點(diǎn)，在占UI相同比例的情況下，我們觀測(cè)不同速率的損耗衰減的差異是一樣的。例如我們看10G和25G的基頻處，在占相同UI的比例的skew的情況下，損耗變化是一樣的。

但是在表層線緊耦合的時(shí)候，同樣的skew卻有很大的差異。我們可以看到，在表層緊耦合的情況，skew的影響明顯比在內(nèi)層時(shí)要好。

而且同樣UI比例的skew變化時(shí)，頻率越高skew的影響越小，這一點(diǎn)和內(nèi)層情況完全不同。

實(shí)際上這里的差別除了表層和內(nèi)層外，還有松緊耦合的差別，你們或許會(huì)問，如果我在表層也是松耦合時(shí)，情況會(huì)不會(huì)同樣很差呢？沒錯(cuò)，正是這樣的，在表層耦合得越緊，就有更多的電磁場(chǎng)在空氣中傳輸，由于空氣的DK低，因此諧振的情況就會(huì)變好。隨著耦合變?nèi)酰瑂kew的影響也會(huì)變得惡化。

本文到這里就結(jié)束了嗎？？然而還沒有，我們進(jìn)入到第三大塊的分析，前面說了，我們可以通過建模來進(jìn)行仿真測(cè)試的擬合，然而玩過三維建模的同行會(huì)知道，建一個(gè)玻纖布的模型不是件容易的事情，所以本文展示它厲害的方面，同公式去擬合。

我們用以下的公式進(jìn)行擬合，理論其實(shí)也很簡(jiǎn)單，就是通過skew把損耗聯(lián)系起來。

對(duì)于內(nèi)層和外層，本文在公式上也做了一些校準(zhǔn)，從和仿真與測(cè)試的結(jié)果對(duì)比來看，該擬合的公式還是具有不錯(cuò)的精度。

內(nèi)層擬合：

外層擬合會(huì)復(fù)雜很多，原因就是存在空氣的影響，介質(zhì)不是單一的。

稍微總結(jié)一下哈，本文算是分析玻纖效應(yīng)比較深入的一篇文章，分析了大量的測(cè)試結(jié)果，介紹了建模仿真的方法和仿真和測(cè)試的校準(zhǔn)擬合，而且還分析了玻纖效應(yīng)對(duì)一些典型的走線的影響差異，而且還通過公式擬合的方法對(duì)仿真和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合（這是本人第一次看到的方法哈），該方法相對(duì)仿真來說可以在效率和精度上做一個(gè)很好的平衡，對(duì)以后定量分析玻纖效應(yīng)的影響提供了一個(gè)不錯(cuò)的思路。

只能說，玻纖效應(yīng)的確限制了我們對(duì)更高速發(fā)展的期望！