隨著速率的提升，信號(hào)隨著頻率的增加，其能量衰減也變得越來(lái)越大，如下圖所示：
這些可以通過(guò)仿真來(lái)分析各種材料對(duì)信號(hào)的不同影響，比如通過(guò)掃描不同的介質(zhì)損耗角（Df，不同的介質(zhì)損耗角代表不同的材料類型），就可以獲得不同損耗的結(jié)果，進(jìn)一步的分析就可以判斷其是否滿足設(shè)計(jì)要求。下圖為不同PCB材料（Df，）進(jìn)行損耗仿真的結(jié)果：
從上圖中可以看到，介質(zhì)損耗角范圍為0.005~0.025，介質(zhì)損耗角（Df）越大，其衰減越大。從眼圖上進(jìn)行分析，也可以很清晰地看到，Df值越大，眼圖越小，如下圖所示：
對(duì)于介電常數(shù)（Dk值）的分析也是一樣的，只是，介電常數(shù)影響更多的是阻抗。介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角是介質(zhì)的兩個(gè)基本屬性，而且這兩個(gè)參數(shù)都會(huì)隨著頻率的改變而變化，如下圖所示為一款材料的數(shù)據(jù)手冊(cè)中的數(shù)據(jù)截圖：
從中可以看到，不同的頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)（Dk和Df）不相同，但是此材料數(shù)據(jù)表格中并沒有給出所有的頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)。非常不幸的是，此數(shù)據(jù)手冊(cè)中，對(duì)每一種材料給出了5個(gè)頻點(diǎn)，很多材料數(shù)據(jù)手冊(cè)給出來(lái)的僅僅只有1個(gè)或者2個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)。很顯然，使用這些數(shù)據(jù)計(jì)算或者仿真獲得的結(jié)果是不正確的，如下圖所示為我們之前測(cè)試過(guò)的一種材料，用廠商提供的原始數(shù)據(jù)仿真與測(cè)試的結(jié)果對(duì)比有不小的差距，如下圖所示：
得到這樣的結(jié)果也是可以理解的，畢竟材料參數(shù)不準(zhǔn)確。經(jīng)過(guò)測(cè)試和仿真提取PCB材料，繪制曲線圖如下所示：
左側(cè)的為介電常數(shù)，顯然隨著頻率的升高而降低；右側(cè)為介質(zhì)損耗角，隨著頻率的升高而升高。再利用提取的材料參數(shù)仿真（仿真另外的傳輸線）即可獲得與測(cè)試結(jié)果比較吻合的仿真結(jié)果，如下圖所示：
當(dāng)然，不僅僅是介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角對(duì)信號(hào)有影響，導(dǎo)體（通常是銅）的粗糙度也會(huì)對(duì)信號(hào)有非常大的影響，在之前的文章中也有給大家分享過(guò)，點(diǎn)擊下列紅色文字，即可查看。在此即不贅述。
在高速電路設(shè)計(jì)中，鏈路中的每一個(gè)參數(shù)都有可能導(dǎo)致傳遞的信號(hào)出問題。今天就和大家分享一個(gè)平常大家不太注意的參數(shù)。
先回顧下在中學(xué)的時(shí)候，咱們學(xué)習(xí)的一個(gè)概念，趨膚效應(yīng)：當(dāng)信號(hào)的頻率較越來(lái)越高時(shí)，信號(hào)都會(huì)趨向于導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f。這樣就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)流過(guò)導(dǎo)體的相對(duì)有效面積變小，從電阻的角度來(lái)分析，這就會(huì)導(dǎo)致電阻增加，導(dǎo)致傳遞能量的損失。
在電子產(chǎn)品使用的PCB，基本都是由銅箔和有機(jī)材料組成的，如下圖所示：
我們平時(shí)看到的銅箔，表面上看起來(lái)都是非常光滑的，實(shí)際上并不如你肉眼所見的那樣，銅箔并不是完全光滑的，其在進(jìn)項(xiàng)顯微鏡下如下圖所示：
為了更加的容易理解，給大家做一個(gè)示意圖，如下圖所示：
銅箔的表面都是有很多銅牙存在的。目前小編沒有發(fā)現(xiàn)非常官方的數(shù)據(jù)說(shuō)明普通的銅牙到底有多長(zhǎng)，據(jù)小編看到的普通的銅箔，沒有經(jīng)過(guò)處理的銅牙（銅箔粗糙度）一般都是在20～30um左右。當(dāng)然，常規(guī)的根據(jù)銅箔粗糙度的厚度（系數(shù)）不同，目前有標(biāo)準(zhǔn)銅箔、反轉(zhuǎn)銅箔、低粗糙度銅箔和超低粗糙度銅箔之分。
前面說(shuō)到，銅箔的粗糙度會(huì)影響到信號(hào)完整性，那么我們就來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)看看。原理圖如下所示，把銅箔粗糙度的設(shè)置為一個(gè)變量，初始值為0，仿真的速率為10Gbps：
分別查看其眼圖和波形，如下所示：
從結(jié)果可以看到：眼圖的寬度為97ps，高度為0.652V，信號(hào)的峰值為0.479V。
那么，接下來(lái)，逐步改變銅箔粗糙度的厚度，觀察眼圖的變化，分別仿真銅箔粗糙度為5um、10um、15um和20um的情況，眼圖和波形分別如下所示：
當(dāng)粗糙度為5um的時(shí)候，眼圖的寬度為94.5ps，高度為0.532V。
當(dāng)粗糙度為10um的時(shí)候，眼圖的寬度為93ps，高度為0.499V。
當(dāng)粗糙度為15um的時(shí)候，眼圖的寬度為91ps，高度為0.424V。
當(dāng)粗糙度為20um的時(shí)候，眼圖的寬度為88.5ps，高度為0.370V。
從以上的結(jié)果，咱們可以看到當(dāng)銅箔粗糙度的系數(shù)（厚度）增加時(shí)，眼圖的的margin越來(lái)越小，抖動(dòng)（Jitter）越來(lái)越大。
有的工程師經(jīng)常會(huì)問到這樣一個(gè)問題：當(dāng)信號(hào)的速率為多少的時(shí)候，在實(shí)際項(xiàng)目工程中需要考慮銅箔粗糙度的影響。我的答案是，任何時(shí)候考慮都是必要的。但是綜合成本和效果來(lái)考慮的話，當(dāng)信號(hào)速率超過(guò)5G以上的時(shí)候，就應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)目紤]銅箔的選擇問題（如果設(shè)計(jì)要求不高，也可以不考慮）。
所以，當(dāng)信號(hào)的速率越來(lái)越高的時(shí)候，我們不僅僅需要關(guān)注芯片的驅(qū)動(dòng)能力、PCB介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角、連接器、線纜等等，還需要考慮到導(dǎo)體（銅）的表面粗糙度的影響。
目前，頻變的材料參數(shù)在很多比較大型的產(chǎn)品公司已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，國(guó)外幾家比較優(yōu)秀的PCB材料廠商和PCB板廠也能提供頻變的材料參數(shù)，但是依然有很多PCB材料廠商和PCB板廠不能提供，有的廠商卻還是只使用單一頻點(diǎn)的參數(shù)在進(jìn)行計(jì)算，這顯然是錯(cuò)誤的，這種方法也已經(jīng)很落后。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
