聊聊高速PCB設(shè)計(jì)100Gbps信號(hào)的仿真

高速先生成員--周偉

今年開始其實(shí)我們已經(jīng)圍繞100G的高速信號(hào)仿真寫了多篇文章啦，2025年高速先生第一篇文章就是和這個(gè)相關(guān)：當(dāng)DEEPSEEK被問到：如何優(yōu)化112GBPS信號(hào)過孔阻抗？文章里面也介紹了不同速率下長、短過孔阻抗的差異，以及不同板厚情況下，長、短過孔阻抗的偏差還不一樣。今天我們還是從仿真的角度出發(fā)，給大家介紹一下哪些因素會(huì)影響100G以上信號(hào)，這樣大家也就知道為什么說100G以上信號(hào)的仿真會(huì)比較耗時(shí)了。

首先最大的影響因素還是在過孔上，我們之前反復(fù)說過，高速信號(hào)的仿真其實(shí)大部分的時(shí)間都是在和過孔打交道，目的就是讓過孔阻抗和線路的阻抗盡量匹配。但說起來簡單，要實(shí)現(xiàn)起來就沒那么容易了。

我們先來簡單看下幾種不同高速差分過孔的基本結(jié)構(gòu)吧，常見的差分過孔結(jié)構(gòu)如下圖所示。

中間兩個(gè)紅色的孔為信號(hào)孔，兩邊黑色的為地孔，黑色橢圓形的圈為反焊盤，也就是圈內(nèi)除了孔，所有層的銅皮都是被掏掉的，我們也叫禁布區(qū)；圖中兩個(gè)信號(hào)孔之間的距離為A，信號(hào)孔到旁邊地孔的距離為B，反焊盤的直徑為C，差分過孔的阻抗和A、B、C的數(shù)值相關(guān)，同時(shí)又和孔本身的孔徑（我們又叫drill直徑）及焊盤大小相關(guān)。除了和孔結(jié)構(gòu)及尺寸等有關(guān)外，過孔阻抗還和板子（孔）的厚度，銅皮層數(shù)及介質(zhì)材料有關(guān)，另外也和反焊盤的形狀及大小有關(guān)，比如下面還有常見的狗骨頭狀及長方形狀反焊盤結(jié)構(gòu)。

正是因?yàn)椴罘诌^孔的阻抗影響因素太多，目前還沒有一個(gè)公認(rèn)的差分過孔阻抗公式，所以過孔的阻抗就沒法像走線那樣可以通過軟件來計(jì)算，設(shè)計(jì)人員很多時(shí)候就只能靠經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)參考書等來做，但不同的信號(hào)阻抗標(biāo)準(zhǔn)也不一樣，常見的有85ohm，90ohm，100ohm等，所以最終過孔和線路阻抗是否匹配也就不得而知，這個(gè)時(shí)候SI攻城獅就順利登場了。是的，差分過孔阻抗沒法計(jì)算，但是可以通過3D仿真能模擬出來，我們把過孔對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)及尺寸搭配一定的材料特性，在3D仿真軟件中建立起相應(yīng)的模型，這樣就可以算出來這個(gè)孔的無源特性，也能看到大致的阻抗情況。如果阻抗差異大，我們就會(huì)對(duì)模型進(jìn)一步優(yōu)化，比如根據(jù)不同的過孔距離，過孔長度等，修改不同的反焊盤形狀或者尺寸，有時(shí)不同層還會(huì)有不同的要求。

以上只是常規(guī)的一些要求，懂的都懂，但到了100Gbps以上速率的信號(hào)又會(huì)有什么不一樣的要求呢？主要有下面幾點(diǎn)：

1、同樣的過孔及反焊盤形狀和尺寸，長孔和短孔的過孔阻抗差異較大；

如下圖為50GHz下長孔和短孔的阻抗特性。

2、同一個(gè)過孔，不同頻率情況下感受到的過孔阻抗也有較大的差異；如下圖為同樣的過孔尺寸，分別在5GHz,25GHz和50GHz帶寬的情況下看到的阻抗也是不一樣的，頻率越高，阻抗越低。

3、頻率越高，過孔stub的影響越大，也就是對(duì)stub越敏感，這個(gè)時(shí)候我們就要考慮過孔最大留多長的stub能滿足要求，同時(shí)也還要考慮工廠的背鉆加工能力。從下圖仿真結(jié)果來看，stub相差2mil過孔阻抗約相差1ohm。

4、鉆孔孔徑對(duì)過孔的影響也在逐步加大，孔徑越大，過孔阻抗越小。

另外還有孔間距的影響，100Gbps信號(hào)我們基本要看到50GHz的頻率，在高頻下這些影響因素會(huì)變得更加敏感，所以我們需要花更多的時(shí)間來調(diào)整這些參數(shù)，在25Gbps速率下，長孔和短孔用同樣的尺寸參數(shù)影響不大，但到了100Gbps以上，不同層需要不同的過孔參數(shù)，這樣就會(huì)多出更多的建模工作量。

除了阻抗的評(píng)估，還需要進(jìn)行串?dāng)_的評(píng)估，這是因?yàn)槊總€(gè)芯片對(duì)于信號(hào)的排列不一樣，芯片的pin間距也不一樣，所以每種情況都需要單獨(dú)的進(jìn)行評(píng)估，我們其實(shí)在過孔排列上也有單獨(dú)的文章介紹，大家可以看看下面這篇文章。距離一樣時(shí)，你們知道兩對(duì)過孔怎么擺串?dāng)_最小嗎（鏈接）

關(guān)于過孔仿真的介紹，大家也可以看看前面我們寫過的一些文章：

當(dāng)DeepSeek被問到：如何優(yōu)化112Gbps信號(hào)過孔阻抗？

總而言之就是100Gbps以上信號(hào)，由于不同的芯片/連接器等pin排列及間距不同，對(duì)于過孔的優(yōu)化方式也會(huì)千差萬別，另外在高頻下各種影響會(huì)更敏感，頻率越高，所需要計(jì)算的數(shù)據(jù)也越多，從而導(dǎo)致需要更多的時(shí)間來優(yōu)化模型。

除了過孔影響因素，還有信號(hào)協(xié)議本身的要求也更嚴(yán)格了（后面有時(shí)間我們?cè)賳为?dú)說說100Gbps信號(hào)的協(xié)議），因?yàn)橐吹礁哳l率的數(shù)據(jù)，頻率越高，材料的損耗特性變得沒有那么線性了，高頻會(huì)加劇損耗的變化，所以對(duì)材料選型和疊層設(shè)計(jì)也是一種考驗(yàn)。

本期問題：除了上面說到的過孔和信號(hào)協(xié)議、材料和疊層影響，100Gbps信號(hào)還有哪些需要考慮的？

審核編輯 黃宇