引言

在計算機(jī)領(lǐng)域及其工業(yè)應(yīng)用中，輸入輸出一直是非常重要的組成部分。但是，隨著數(shù)字信號處理的信號越來越復(fù)雜，速度越來越高，可靠的板間數(shù)字通信也變得越來越困難了。如果還使用早期的并行總線系統(tǒng)，就會出現(xiàn)輸入輸出端口不夠，端口間難以對齊等問題。而Gbit 收發(fā)器以較大的數(shù)據(jù)流量，較少的輸入輸出端口數(shù)量，較小的電磁干擾和較低的價格成為當(dāng)今解決高速大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€重要方式。

1 Gbit 收發(fā)器的特點

1.1 高速數(shù)據(jù)流

一些較大容量的可編程邏輯器件擁有20 個以上的Gbit收發(fā)器，每個收發(fā)器帶寬按10Gb/s 來計算，總帶寬可以達(dá)到200Gb/s.雖然這只是一個特例，但也可以看到Gbit 收發(fā)器能夠給我們帶來的較大的帶寬，可以用在高速大容量數(shù)據(jù)的傳輸上，比如高清的視頻和音頻等等。

1.2 端口數(shù)量少

當(dāng)我們需要從一個器件上輸入或輸出高速的大容量數(shù)據(jù)的時候，往往首先會遇到輸入輸出端口數(shù)量不夠的問題，而Gbit 收發(fā)器能夠用較少的端口給我們帶來很大的帶寬，下面是高清視頻混合器應(yīng)用中，使用并行數(shù)據(jù)流和使用Gbit 收發(fā)器設(shè)計的串行數(shù)據(jù)流所用輸入輸出端口的比較：

可見Gbit 收發(fā)器能夠在很大程度上為我們解決端口數(shù)量的問題。

1.3 同步開關(guān)輸出影響小

在使用并行總線系統(tǒng)的時候，我們一般都會使用同步開關(guān)輸出，然而，很多開關(guān)的同時跳變往往會引起地面反射而引入大量噪聲。為了防止噪聲需我們往往會使用差分信號對，而這樣又會使得輸入輸出端口加倍。

這種情況下可以考慮Gbit 收發(fā)器，它是差分信號，端口又比較少，是很好的選擇。

1.4 電磁干擾小

高速的串行鏈路往往要比并行總線鏈路輻射少，因為Gbit收發(fā)器的運行對信號完整性的要求特別高，就如一位專家所說：“電磁干擾的問題往往是信號完整性的問題。

1.5 價格低廉

用Gbit 收發(fā)器的系統(tǒng)往往要比用并行總線的系統(tǒng)花費少一些，因為它的封裝小，本身價格比較便宜。

對設(shè)計者來說，端口變少了，板子也容易設(shè)計。比如在一個視頻混頻應(yīng)用中，并行總線系統(tǒng)需要比高速串行系統(tǒng)使用更多的集成電路，這樣會使得整個板子的費用成倍增加。

2 印刷電路板設(shè)計

即使是有一個經(jīng)驗的印刷電路板設(shè)計者，對Gbit 收發(fā)器的PCB 設(shè)計也會十分小心和慎重。因為Gbit 收發(fā)器速度非常高，對PCB 布線有很高的要求，比如差分路徑必須相匹配、PCB層數(shù)對阻抗的影響必須考慮、功率分布必須仔細(xì)嚴(yán)格地分析等，設(shè)計者往往要作數(shù)以萬計的決策和平衡。為了幫助大家更好地進(jìn)行Gbit 收發(fā)器的PCB 設(shè)計，下面提出幾點建議：

2.1 材料選擇

絕緣材料FR-4 是當(dāng)今PCB 制版的主要材料，一些低損的替代品也是現(xiàn)成的。基本的原則是當(dāng)傳輸?shù)目傞L度小于50 厘米，速度在3.125Gb/s 以下的時候，F(xiàn)R-4 可以滿足要求。但是如果我們傳輸?shù)穆窂奖容^長或者速度比較快的話，建議用高速材料(比如ROGERS 3450 等)。

2.2 板材厚度

選定材料后就要進(jìn)行板層的設(shè)計了，不同的PCB 板層數(shù)就有不同的板層設(shè)計，但是我們必須牢記一點：Gbit 收發(fā)器的走線層必須用相鄰的電源層和地層包起來，防止外部電路和Gbit收發(fā)器走線電路相互影響，使得信號質(zhì)量變差。[!--empirenews.page--]

2.3 電源層和地層的設(shè)計

Gbit 收發(fā)器中的這些模擬電壓比較特殊，脈沖的寬度都是ps 級別，因此要為每個模擬電源提供一個單獨的平面;參考平面的話，要用隔離和過濾地平面;當(dāng)信號領(lǐng)域沒有達(dá)到千兆級的速度的時候，建議盡量不用數(shù)字電源平面。

2.4 過孔

Gbit 差分路徑盡量不要a 跨層，如果確實需要層過度的話，我們必須格外小心。首先，我們必須把兩個參考平面相連接以提供一個完整的返回路徑，最好兩個參考平面都是地平面，這樣的話，返回路徑就可以通過連接到最近的過孔來實現(xiàn)，既縮短了路徑，也提高了可靠性。

如果參考平面不同(一個是地，一個是電源)，那么在靠近傳輸過孔的地方，要放置一個0.01uF的電容，把不同參考平面的影響消除掉。

考慮高速信號從里層走到頂層的情況，這種情況下信號也會沿著過孔走到底層的焊盤，這對高速信號是有影響的。在這種情況下我們就需要使用背鉆技術(shù)。如下圖所示，在電鍍以后，焊盤帶來的影響就能夠消除。

2.5 差分對之間的間隔

差分對與差分對之間不能緊緊地挨在一起，必須留有比較大的空間，最基本的原則是差分對與差分對之間的間隔至少是同一差分對正負(fù)信號線間隔的五倍。

2.6 地隔差分對

如果不適用差分對間隔法的話，另一項技術(shù)就是地隔差分對法，就是在差分對與差分對之間用與差分對平行的地線相隔開，這樣的屏蔽效果會更好，如下圖所示。

2.7 差分信號對

要想差分對運轉(zhuǎn)的時候能夠緊密耦合和高度匹配，差分路徑長度是至關(guān)重要的。如果使用材料FR-4,差分路徑差1/4 厘米就能導(dǎo)致差分正負(fù)信號間差18ps,對Gbit 信號來說，這已經(jīng)能夠影響到信號的完整性了。別以為1/4 厘米聽起來挺多的，如果你使用常規(guī)的布線方式從一個BGA(球柵陣列分裝)到另一個BGA,差分對之間很容易就會有一個厘米左右的誤差。所以建議大家一定要使用自動路徑匹配PCB 軟件?？傊?，差分對之間的路徑差一定要控制在1/8 厘米以內(nèi)。

2.8 差分布線的寬度和間隔

差分布線的寬度和間隔在PCB 板的每一層都應(yīng)該計算，當(dāng)然制板廠家會給一些幫助和建議，但我們一定要做到心中有數(shù)，確保他們用的是比較專業(yè)的解決方案，再去根據(jù)他們的方案進(jìn)行調(diào)整。一些制板規(guī)則甚至明確表示，這些參數(shù)的計算不應(yīng)該讓PCB 制板廠家來計算。千萬不要隨便選一個差不多的PCB 布線模型然后讓生產(chǎn)廠家通過過蝕刻或者欠蝕刻來調(diào)整阻抗，這樣做往往會帶來很大的問題和隱患。最好是我們自己有專業(yè)的解決方案或擁有豐富經(jīng)驗的設(shè)計者。