作者:黄刚
高速先生在测试夹具这方面见到过各种各样的损耗测试结果,如果让你想象一根只有几英寸的PCB走线加上SMA连接器的最差情况下能达到多大损耗,高速先生测到的结果一定会超乎你的想象!
让大家来猜一猜?PCB走线长度大概为2．5inch,在频率不算很高,就5GHz这个频点上损耗能有多少?1dB,2dB,5db?好,再猜得夸张一点,10dB够了吧?凡是有过一些SI理论或者测试经验又或者是对板材参数有所了解的小伙伴,都会大致对一根只有2．5inch的走线损耗有自己的预期范围。当你们觉得你已经猜到10dB的损耗,连自己都怀疑自己在说什么的时候,高速先生忍不住告诉你,高速先生测过一根2．5inch的走线损耗超过20dB@5GHz。
但是这个的确真实的发生在高速先生面前了。客户自己设计的一款芯片测试夹具板,其中芯片的重要输出管脚通过SMA连接器引出到示波器上进行眼图的测试,速率为10Gbps,也就是基频是5GHz,测试结果发现眼图居然闭合,引出来的走线其实并不长,也就是2．5inch左右。客户还用网络分析仪测试了同样是2．5inch的去嵌走线,也就是我们经常说的2xthru走线,发现损耗竟然大得惊人,就是下面这样的结果。
高速先生看到这个结果的确也感到非常的惊讶,客户也把该夹具板寄过来给我们,我们还没看PCB设计时也先进行了测试,发现的确也是这样的结果。从高速先生看来,5GHz超过20dB的衰减绝对是不正常的,单纯走线的损耗哪怕用最普通的板材也不会有这么大的损耗。
于是我们决定结合PCB设计和测试夹具一起看一下。
我们首先看到PCB设计的2xthru走线就是下面的样子,两端是SMA连接器,中间是2．5inch的走线,感觉没什么特殊的地方。从叠层上看,PCB板子是3mm的板厚。
我们看到走线走到TOP层,然后我们在看看SMA连接器放置的位置,打开丝印层发现,SMA头也是放在TOP层!也就是和走线是同一面的。
看到这里,高速先生已经能想象出损耗超大的原因了。结合测试夹具再看一下,SMA头果然按照丝印的方式一样,焊接在TOP层。最后高速先生再来看一看用到的这款SMA连接器的文档,看到是一款插针式焊接的连接器,针长达到4mm。
搜集到以上的信息之后,高速先生可以把谜底给大家揭开了。
根据模型长的样子和实际焊接的情况,我们画了个如下的示意图,估计大家一看就会明白问题的所在了!
如果像该测试夹具一样,从TOP层进行焊接,而走线又在TOP层的话,整个板厚和SMA连接器的针长都是该信号的stub,只考虑针长的话,stub也达到了4mm。根据我们的反射理论,肯定会对5GHz的信号造成巨大的影响。
为了更直观的证明这个想法,我们用该SMA连接器的模型模拟板上的走线进行了仿真,仿真结果也能很好的和实测对应起来!
后面我们把结论和仿真数据告诉客户,客户表示当时可能没考虑太多信号完整性的问题,只想到了如果走线在TOP层和顺便在TOP层焊接SMA连接器,对于识别走线和测试都比较便利。听到高速先生的结论后才恍然大悟。
事情本来做到这里,就已经很清晰的定位到原因了。高速先生还可以为客户做得更多一点,在目前客户的这个测试夹具上,看看有没有办法在现成的板子上优化好。
我们看到目前信号质量差是因为SMA连接器焊接到表层,STUB达到针长的4mm造成的,如果我们把SMA连接器从底层焊接呢,效果会怎么样?
从反过来之后的模型来看,stub就会变得非常的短,这个时候我们先对这个模型做一个仿真,从仿真结果来看,这根2xthru走线的性能就变得比较理想了。
于是让客户重新把表层的SMA取下来,然后从底层进行焊接,焊接完成进行再次测试后,从芯片引脚发出来经过该夹具的眼图就变得很好了,也验证了高速先生这个临时的方法是非常有效的!
最后总结一下,像本文这个案例,对于10Gbps速率的信号测试而言,本身SMA连接器的选型也是ok的,但是需要注意的是各种stub对信号的影响。像很多朋友之前只会重点关注走线的stub,过孔的stub的影响,但是SMA连接器本身stub的影响更为隐蔽也更为致命,因此大家在设计测试夹具和SMA连接器选型的时候一定要引起足够的重视,特别是应用在更高速的测试夹具的场景下,stub的问题往往都是决定该测试项目成败的关键!
