10Gb XFP光模块的电路板设计

10Gb XFP光模块的电路板设计
技术分类：通信 | 2003-09-12
作者：Lawrence Williams，Steve Rousselle，Bryan Boots；Ansoft 公司
形状紧凑、可以热插拔和数据不可知的XFP模块，不仅可以实现10Gbps的传输速率，而且其造型新颖，形状因素灵活多变，便于安装。

XFP MSA（10Gb小形状因数可插拔多源协议）组织定义了用于数据通信和电信的10Gbps 串行收发器，该组织由数据通信行业和电信行业中处于领先地位的网络公司、系统公
司、光模块公司、半导体公司以及连接器公司组成（参考文献1）。

于2001年创办该组织的成员公司有Broadcom公司、Brocade公司、Emulex公司、Finisar公司、JDS Uniphase 公司、Maxim Integrated Products公司、ONI Systems公司、ICS公司（住友电气的一家公司）、Tyco Electronics公司和Velio公司。

目前，已经有60多家专门从事光学、集成电路 (IC) 和系统实施的公司做为捐助者和采纳者加入了XFP MSA。

XFP模块是一种可热插拔的、占电路板面积很小的、串行－串行光收发器，可以支持SONET OC-192、10 Gbps 以太网、10 Gbps 光纤通道和G.709链路。

典型的XFP模块应用部件包括XFP模块、主板装配罩和散热器（图1）。

模块尺寸为78×18.4×8.5 mm。

图1 典型主板上的XFP模块应用部件包括装配罩和散热器。

图2 XFP应用部件的端到端电气通道包括一块收发器电路板、一个可插拔连接器、一块主板和一个BGA封装。

XFP器件之所以很小，乃是因为 XFP 器件的大多数电子信号处理都在主板上而不是在模块内部进行。

早期的产品形状，例如Xenpak和用于电信业的300引脚XBI模块，分别需要XAUI （10 Gb 附属单元接口）收发器和复用器/去复用器器件，从而增大了尺寸，提高了复杂性和功耗要求。

新的XFP产品形状具有XFI--一种 10 Gbps 串行电气接口。

这种接口使大多数电子信号处理功能在系统印刷电路板上的收发器ASIC内完成，而不是在光收发器模块内完成。

但是，将收发器ASIC安放在系统印刷电路板上，就要求系统设计师在传统的FR4印刷电路板上实现10 Gbps串行接口。

工程师必须特别小心，确保接口在穿越8~12英寸印刷电路板互连线之后仍能提供足够的信号幅度和保真度。

互连线可能包括微带印制线或微波带状印制线（或两者都有）、层与层之间的通孔结构、一只30个插针连接器以及一个BGA ASIC 封装。

本文为XFP应用部件中的高速电气接口提供设计指南。

设计实例表明使用仿真软件能够加快XFP采纳者成功地设计印刷电路板的速度。

系统概述
XFI是一种差分信号串行互连线，其标称波特率为9.95~10.75 Gbps。

发射和接收信号都是交流耦合的100Ω差分对。

XFP应用部件的典型端到端电气通道包括一块XFP模块内的收发器电路板、一只可热插拔的30个插针连接器、一块主板和一个BGA封装（图2）。

尽管主板设计师很少直接控制收发器ASIC BGA封装，但是，必须提到的是，可以在10 Gbps通道仿真中仿真、设计并包含这一封装。

对该电气通道进行仿真和测量，可为XFI设计提供指南。

在评估板堆栈的情况下，电路板总厚度为36密耳，电路板材料为εr=4和损耗正切为0.016的标准FR4。

所有印制线均为1/2盎司.铜线（图3）。

图3 Broadcom评估板堆栈结构规定电路板总厚度为36密耳，标准FR4板材的εr=4且损耗正切为0.016。

所有印制线为1/2盎司.铜线。

XFI最突出的特点是发射信号通过印刷电路板时会出现衰减。

使用FR4介质衬底的印刷电路板设计师从未打算让这些电路板能支持10 Gbps传输信号；高频时的介质损耗是主要缺
陷。

FR4衬底上的典型微带差分传输线的插入损耗在5 GHz时约为0.5 dB/英寸，在10 GHz 时为0.9 dB/英寸。

这一损耗有效地对发送的数字信号进行低通滤波。

因此，它严重地限制了未补偿的10Gbps数字信号在印刷电路板传输线上的传播距离。

幸运的是，收发器ASIC
及XFP模块内部的现代信号调节电路能够补偿这种滤波，并且使传输距离达到12英寸远。

对主板设计师的挑战是提供具有适当特性阻抗的传输线以及回波损耗足够小的布线和通孔设计。

通孔结构
通孔结构允许印刷电路板设计师连接在多层电路板层与层之间的电路印制线。

通孔对于把BGA或者连接器的引脚过渡到主板或收发器板内部的微波带状印制线可能特别有用。

最普通而又便宜的通孔结构是所谓的穿透通孔。

你只要钻孔钻透印刷电路板之后再进行电镀，便可形成穿透通孔。

电镀工艺借助所需层上的信号焊接区将顶层印制线和埋藏层印制线在电气上连接起来。

替代穿透通孔的有盲孔和背钻通孔。

尽管这些替代通孔可能具有更高的性能，但业内专家通常认为大多数XFP采纳者将采用更低成本的穿透通孔，以便于批量生产。

图4 相邻层之间具有电气通路的单端通孔留下了一段开路短线，导致阻抗匹配不良。

单端穿透通孔可在16层印刷电路板中从顶层过渡到下一个相邻的层（图4）。

只有通孔在相邻层之间的那部分形成电气通路，剩余部分则是一段开路传输线短线。

由此引起的附加电抗会降低特性阻抗，从而导致传送信号反射。

一个较好的方法是选择印制线路由（图5）。

将电路板顶层在电气上连接到电路板反面层或紧靠反面的那一层，就能使开路短线的尺寸缩短到最低程度，从而使电气反射最小。

图5 用通过孔来确定印制线路由的较好方法将电气通路从顶层连接到电路板反面或紧靠反面的那一层，从而使开路短线最短。

Ansoft HFSS（高频结构仿真程序）能够进行全波3D电磁仿真，可以用来评估具有或不具有开路短线的通孔结构的相对性能。

图6绘出了所提取的从16层印刷电路板顶层连接到不同层的S参数。

红色曲线代表从顶层到底层的印制线路由，具有最好的性能，亦即最小的反射。

从顶层连接到电路板反面或紧靠反面的那一层，可使开路短线的尺寸缩短到最低程度，因而使电气反射最小。

图6 在16层印刷电路板从顶层到不同层的仿真回波损耗S11中，红色曲线代表从顶层到底层的
印制路由，具有最好的性能，亦即最小的反射。

因为XFI是传送差分信号的，所以通孔成对出现。

这些差分通孔将信号从顶层微带印制线传送到埋层微波带状印制线。

差分通孔的几何结构具有一对在100密耳厚的多层印刷电路板上穿越若干电源平面和接地平面的通孔结构（图7）。

关键尺寸是通孔直径（钻孔大小）、焊接区直径、焊接区与接地/电源平面切断处之间的间隙以及通孔间距。

全波3D电磁仿真可以确定使反射最小并提供最佳信号保真度的尺寸。

可调参数是通孔的间距和间隙。

图7 差分通孔几何结构示出了一对在厚度为100密耳多层印刷电路板上穿过电源平面和接地平面的过孔结构。

关键尺寸是通孔直径（钻孔大小）、焊接区直径、焊接区与接地/电源平面切断处之间的间隙以及通孔间距。

表1 厚度为100密耳和62密耳两种印刷电路板的优化差分通孔几何尺寸。

对通孔间距及间隙进行的参数研究表明，100密耳和62密耳厚的电路板采用表1所列的尺寸，可以获得最佳的性能（图8）。

有趣的是，这两种电路板的深度尺寸是相同的。

把通孔结构看做沿垂直于印刷电路板平面方向传播的传输线时，显然该传输线应该具有与其长度（电路板厚度）无关的等截面。

图8 对通孔间距及间隙进行的参数研究表明，100密耳厚的电路板（a）和62密耳厚的电路板（b）采用表1所列的尺寸，可以获得最佳性能。

采用GSSG（接地-信号-信号-接地）几何结构可以改善传统的差分通孔性能。

GSSG差分通孔由四个单端通孔组成（图9）。

两个内通孔是差分信号线，两个外通孔则是接地回路线。

尽管差分信号传送方式一般为所有返回通路电流作好了安排，但GSSG几何结构可以通过具有良好控制的返回电流通路来支持共模信号。

任何耦合的或产生的共模信号都通过通孔传播（而不是被散射），然后沿传输线到达接收器，即其终结之处。

图9 在GSSG（接地-信号-信号-接地）几何结构（a）中，关键尺寸是通孔直径（钻孔大小）、焊接区直径、焊接区与接地/电源平面切断处之间的间隙、通孔间距以及过孔到接地通孔的间距（b）。

GSSG几何结构的关键尺寸是通孔直径（钻孔大小）、焊接区直径、焊接区与接地/电源平面切断处之间的间隙、通孔间距以及通孔到接地通孔的间隙。

GSSG结构的附加导体具有更多可调参数，这些参数又可以提供最佳的性能。

表2给出了四种可供选择的GSSG 通孔尺寸组合，它们都可提供令人满意的性能。

图10展示了这四种可选几何结构的S参数曲线图。

图10 图2中GSSG（接地-信号-信号-接地）通孔尺寸组合产生了S11（a）和S21（b）的不同S参数。

表2 - 产生令人满意性能的GSSG通孔尺寸组合。

端到端通道仿真
本分析采用电路仿真、电磁仿真以及同时采用这两种仿真来提取S参数模型。

将这些结果在单一仿真中组合在一起，以检验XFP模块的端到端性能。

一种把这些结果组合在一起的简便方法是采用高频系统仿真程序，例如Ansoft Designer的高频系统仿真程序。

该系统仿真程序不仅能够提供系统的频域结果，而且还能够提供瞬时结果和系统级参量，例如眼图和误码率曲线。

图2所示XFP通道的系统仿真程序模型包括收发器板印制线、Tyco连接器和主板印制线。

利用电路和电磁仿真计算出的级联S参数模型可以用来评估端到端系统性能（图11）。

图12分别对SDD11和SDD21两者的仿真差分S参数和实测差分S参数进行了比较。

尽管仿真结果和实测结果之间存在差别（特别是SDD11），但仿真却清晰而又准确地说明了总的系统响应趋势。

图13给出了图2中XFP通道的实测眼图和仿真眼图。

图11 图2
所示的XFP通道产生这种端到端系统模型的图解（a）和方块图（b）。

图12 尽管SDD11（a）和SDD21（b）--特别是SDD11的参数的仿真结果和实测结果之间存在差别，但仿真清晰而又准确地说明了总的系统响应趋势。

图13 图2所示XFP通道的实测眼图（a）和仿真眼图（b）两者的比较说明了仿真的精确性。

参考文献
1. XFP MSA, .。