信号完整性分析基础知识之有损传输线、上升时间衰减和材料特性（十一）：提升传输线的眼图以及均衡技术的应用

三种设计因素影响眼图质量：

过孔stub引起的不连续、导体损耗、介质损耗。

如果存在上升时间恶化的问题，那么以上三个因素就是造成此问题的全部板级要素。

第一步就是通过限制换层、使用盲埋孔或背钻工艺来减小敏感传输线过孔的stub，然后减小capture pad，增加反焊盘尺寸，尽量使过孔的钻孔与50Ohm相匹配，以上步骤可以使上升边退化最小化。

一般，一个过孔的最大影响就是stub，将stub缩短到10mil以下，对于10GHz以下的信号，过孔的影响可以忽略不计。

信号线的线宽将是影响导体损耗衰减的主要项，前提是改变电介质厚度以将线路阻抗保持在固定目标。线宽越宽，导体损耗越小。如果线宽增加，则电介质厚度也必须增加。这并不总是实用的，因此对可以使用的线的宽度设置了限制。

根据感兴趣的带宽，线路太宽几乎没有影响，因为介电损耗可能占主导地位。图 9-30 显示了使用 FR4 电介质对 50 欧姆线路单位长度衰减的影响。如果降低衰减很重要，那么第一个目标是使用宽线，并尽可能避免线宽小于 5 密耳。然而，由于 FR4 中的介电损耗，使线宽宽于 10 密耳并不会显着降低衰减。

假设电介质厚度也增加以保持阻抗恒定，随着线宽增加，FR4 中 50 欧姆线的单位长度总衰减。

如果将过孔优化并且使线宽保持在10mil以下，则其他能够调节衰减的唯一因素就是叠层材料的Df。下图所示为Df不同时两种材料的相似衰减曲线，频率为5GHz。Df越小，衰减越小。

即使对于低损材料，随着线宽增加也出现了一个衰减减小的转折点。线宽大于20mil时，衰减主要由材料决定。

有很多种方法估算一条链路中衰减是否过大，因为衰减是由频率大小决定的，我们必须选择一个频率作为参考。通常就是奈奎斯特频率，也就是数据模式的基础时钟频率。最重要的频率分量是奈奎斯特的一次谐波。

在有损信道中，奈奎斯特是信号的最高正弦波频率分量。毕竟，无论奈奎斯特有什么衰减，下一个频率分量（三次谐波）都将具有三倍的衰减。如果一次谐波幅度很小，则三次谐波将无关紧要。

当奈奎斯特的总衰减约为 10 dB 时，眼图将充分闭合，从而无法满足大多数掩模规格。对于可接受的最高衰减来说，这是一个很好的经验法则。例如，如果互连长度为 20 英寸，并且它是一个衰减率为 0.2 dB/英寸/GHz 的高损耗通道，则可通过该通道传输的最高奈奎斯特为 10 dB/（20 英寸 × 0.2 dB/英寸/） GHz) = 2.5 GHz。这是 5 Gbps 的数据速率。这是有损通道的一个重大限制，也是为什么损耗对于 1 Gbps 以上的数据速率如此重要。

在无法通过物理设计和材料选择降低衰减的情况下，还有一种方法可以提升通道支持的数据速率。如果我们通过互连发送一个短的上升时间步长，那么它在退出互连时将会失真。这些损耗将导致上升时间增加，当它与单位间隔相当时，就会产生 ISI，眼图闭合。

如果可以预测失真的幅度，可以对信号进行预失真，当信号沿着互连传输到尽头后，上升边沿还很陡峭。一共有三种失真方法统称为均衡。在传输过程中，高频分量会比低频分量衰减更大，这会导致短上升时间信号的 1/f 下降导致频谱失真。如果我们添加一个高通滤波器来滤除低频并让高频通过，则互连衰减和滤波器衰减的乘积将在整个带宽上保持不变，并且不会出现与频率相关的损耗。

当我们滤除低频分量以使它们与衰减的高频分量相匹配时，我们称之为使用连续时间线性均衡器（CTLE）来均衡通道。如果我们向滤波器添加增益并增加高频分量的强度，我们将其称为有源 CTLE。如果奈奎斯特衰减高达 15 dB，则 CTLE 滤波器可以恢复睁开眼图。

在第二种方法中，我们向来自发射器的初始信号添加额外的高频分量，以便当边缘到达远端时，这些高频分量已经与低频分量一致地衰减。这称为前馈均衡（FFE）。当它通过仅影响与初始位相邻的一位来完成时，我们有时将其称为预加重或去加重，作为 FFE 的一种特殊情况。

第三种方法也有效地完成了相同的事情，但却是在接收端实现的。称为决策反馈均衡（DFE）。

CTLE/FFE/DFE技术的结合可以将奈奎斯特总衰减在25-35dB的眼图恢复，非常大的衰减或者接收端信号很微小都不是挑战，真正的挑战是信号是随频率变化的。如果奈奎斯特频率处的衰减为 35 dB，这意味着一些低频分量（对应于具有许多连续 1 和 0 的数据模式）的信号强度将是奈奎斯特频率处信号的 30 倍。这会导致大量的信号失真。

使用任何均衡技术都要求互连的失真是可预测和可重复的，也就是说必须提前知道具体的叠层信息。均衡方法是补偿有损互连的强大技术，适用于高速互联链路。