深度論證-高速走線控制100歐姆阻抗一定是最好的選擇嗎？

公眾號 | 高速先生，作者 | 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，看看里面有沒有推薦的控制阻抗值。例如像PCIE信號，在4.0之后的阻抗會明確要求按照85歐姆來控制，USB阻抗會要求控制90歐姆等。除了這一部分有明確的阻抗要求外，其他沒明確要求的高速信號你們會控多少歐姆阻抗呢？就好像為什么PCB的單端走線要控制50歐姆一樣，差分走線如果沒有明確協(xié)議規(guī)定，那就按100歐姆來控制。很多工程師其實都不一定很清楚的知道內(nèi)在的理論和原因，但是也會潛意識的控制100歐姆，可見100歐姆差分線這個觀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(dāng)然，從反射的理論來說，如果從收發(fā)芯片的負(fù)載到PCB的每個地方鏈路的阻抗都完美的做到100歐姆的話，那高速線控100歐姆肯定是最好的選擇啦！意味著鏈路上的任何地方阻抗都匹配，完全沒有反射的存在，這還能不好嗎？

真實情況會怎么樣呢？為了能有說服力，本文舉2個真實項目的仿真案例，大家一起細(xì)品細(xì)品哈！

案例一：板內(nèi)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走線外，一定會存在一些阻抗不連續(xù)的結(jié)構(gòu)，如上面的案例中，BGA兩端會存在過孔，接收端一般還會有交流耦合電容。有一定仿真經(jīng)驗的小伙伴們都知道，像BGA的過孔，電容這個位置的阻抗一般來說都很難做到100歐姆，大部分的case無論怎么優(yōu)化，都會低于100歐姆。這個時候我們來驗證如果這幾個阻抗不連續(xù)點的阻抗達(dá)不到100歐姆，例如做到比較理想的95歐姆左右的情況下，PCB走線分別按照100和降低到95歐姆控制時的無源仿真性能對比。

首先我們來看看芯片到芯片鏈路TDR阻抗的對比，也就是PCB走線選擇默認(rèn)的100歐姆和降低到95歐姆來控制時的差異。

當(dāng)然從TDR阻抗來看，不能很直觀的看到差異，于是我們來看另外兩個更關(guān)鍵的指標(biāo)，那就是插損和回?fù)p的指標(biāo)。

從插損的指標(biāo)看，在優(yōu)化好幾個不連續(xù)點后，雖然100歐姆走線的仿真性能也就很不錯了，但是從仿真結(jié)果能看到，95歐姆PCB走線的結(jié)果更有優(yōu)勢，無論是從回?fù)p還是插損的角度看，都是性能更好的一方。

案例二：經(jīng)過背板連接器的芯片到芯片的25G信號仿真案例

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

前面單板上的BGA過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地方。本案例中用到的這款高速背板連接器是某知名廠家的產(chǎn)品，是一款在這個速率下很通用，得到有效驗證的連接器。

這款連接器廠家的標(biāo)稱阻抗是多少呢？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看，的確也差不多。90歐姆出頭的樣子。

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

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

那么插損和回?fù)p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歐姆的走線還是會比100歐姆走線的性能來得好。

當(dāng)然，這中的理論有點復(fù)雜，這里就不展開來分析了。從設(shè)計的角度來看，如果沒明確的要求，硬件工程師或者設(shè)計工程師按照100歐姆來控制高速走線本身也沒太大的問題，我們很多case按照100歐姆的差分信號設(shè)計也是完全沒有問題。本文更多的可能是給大家一種另類的思路，去尋找一些更優(yōu)的設(shè)計方案。但是還是要弱弱的告示下哈，如果不經(jīng)過比較精確的仿真，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，設(shè)計的朋友請謹(jǐn)慎使用這招，用得不好還是很容易翻車的哦！

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