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线宽变大,损耗变小;线宽无限大,损耗无限小?
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线宽变大,损耗变小;线宽无限大,损耗无限小?
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发表于: 2023-05-11
一博高速先生成员:黄刚
作为高速信号传输的重要的指标之一,损耗,无论是对硬件
工程师
,设计工程师还是我们SI工程师来说,都会是非常的关注。而对于像背板传输这种长距离的走线
系统
或是像
芯片
测试
板要求损耗极小的情况,传输线的损耗在总的系统损耗里面一定是占到一个大头的位置。尤其是在板材和走线长度已经定下来的情况下,传输线的线宽几乎就成为了让损耗能逆袭的唯一的一根救命稻草了。
根据我们对高速理论的理解,线宽对传输线损耗的贡献是非常正向的,在其他条件不变的情况下,传输线的线宽越宽,传输线的损耗会越小,而且会一直是这个趋势不变。那么,粉丝们会不会很容易就产生了两个想法,一是,只要我在
PCB设计
中能把传输线走得更宽,而且能控制到
阻抗
的情况下,我们就能够在其他条件不变的情况下把损耗做得更小;另外一个想法就更大胆了,是不是如果我的线宽能做到无限大之后,传输线的损耗理论上就能够接近零损耗呢?
高速先生的确很喜欢有想法的粉丝,这样可以激发出更多的灵感。喜欢归喜欢,高速先生还是要用
数据
来说话。这样吧,高速先生就做一块测试板来验证下这个问题,毕竟实践才是
检验
真理的唯一标准嘛!
测试板的设计也很简单,我们叠层和板材是固定的,我们要验证的走线是在TOP层,那么要增加线宽而且又能控制到阻抗(单端50欧姆)的话,我们需要做的就是去挖空若干层走线的参考层,也就是让参考层更远,这样传输线的线宽才能够不断的增大。下面是我们精心设计过的叠层,展示前5层如下所示:
为什么只展示前5层呢,因为我们验证的走线是从TOP层参考L2层的地平面一直到参考L5层的地平面,这样的话,随着参考平面的变远,TOP层的传输线线宽在同样控制50欧姆的情况下才能不断变大,实现我们要研究线宽和损耗关系的目的。
那么参考到不同层之后,线宽的变化范围大概是多少呢?经过计算,我们参考不同层的线宽变化就非常非常明显了,从参考L2层的5.2mil变到参考L5层的38mil!
基本上38mil已经是我们走线线宽的天花板了吧,那么我们分别来看看从细线宽到宽线宽的情况下,损耗到底能改善多少的量级呢?
首先我们验证从5.2mil到12mil的变化,结果如下所示,标注了一个20GHz比较高频的点,损耗从大概3.58db改善到了2.25db,损耗改善了40%左右。
恩,看起来非常的不错,改善量也很大,让我们不得不憧憬线宽进一步增加后的效果了。好,那么我们接下来去对比12mil线宽增加到20mil的情况下,损耗的改善量。从下图结果来看,从2.25db改善到了1.72db,损耗改善不到25%了。
呃,也还行吧,至少也算是个比较大的改善量了,那我们继续看从20mil增加到38mil线宽后的结果。真没想到,在20mil往上差不多加一倍的线宽情况下,只是从1.72db改善到了1.32db,也就是20%多点的改善量,远远比我们想象的改善量要小!
行吧,为了让大家死心,高速先生再参考多几层,做一个更宽更宽的走线的case,我们做出了一个60mil的线宽,那我们来对比下60mil线宽和38mil线宽的改善量。损耗大概从1.32db减少到1.2db,改善量只有不到10%了。
最后我们再把上面的几种case摆在一起,让大家更为直观的看到线宽不断增加情况下,损耗改善的量级。
最后再回答下上面提到的两个想法,一是随着线宽的增加,损耗的确是会不断的减小,趋势是没错的。但是另外一个想法可能就只能真的是想想了,线宽增加到一定的宽度后,损耗改善的量级会越来越小了,绝对不会得到一个很接近零损耗的结果了。至于是为什么呢?这个就当本期的问题留给大家来思考了哈!
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achao1171
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沙发
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线宽变大,损耗变小;线宽无限大,损耗无限小,nice
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