用于背板信号通道中的阻抗匹配的设备和方法

专利名称：用于背板信号通道中的阻抗匹配的设备和方法
技术领域：
本发明总体上涉及背板信号通道中的通信，更具体而言(但不排他地) 涉及通过背板信号通道中的阻抗匹配来改善信号质量。
背景技术：
图1A示出了刀片服务器100的实施例，其包括被称为背板102的印刷 电路板。在一个实施例中刀片104是服务器，利用插槽106将其机械地附 着并电耦合到背板102。刀片104利用背板102、通过背板102中的信号通 道110与也耦合到背板的其他刀片进行通信。刀片104通过延伸穿过背板 厚度的一个或多个短截线(stub) 112与信号通道110通信。例如，刀片 104—或更准确地说，刀片104上的电路一经由短截线112与通道110通信。
图1A示出了在刀片104通过短截线112发送或接收信号时发生的现象。 例如，当把源于刀片104的信号发射到短截线112中时，信号的第一部分 118沿短截线向下传播并进入通道110。不过，信号的第二部分116传播到 短截线112的末端。当信号的第二部分116达到所述短截线的末端114时， 它从末端反射并沿短截线112向上往回传播，至少部分进入通道IIO。如果 信号的数据速率低且信号通道112的长度小，则信号从所述短截线末端的 反射通常不会造成严重问题，但是在信号的数据速率高且信号通道112的 长度L大时，开始出现更为严重的问题。
图1C和图1D示出了在长信号通道112和高数据速率差分信号时发生 的问题。图1B示出了差分输入信号，通过在图2A中的刀片204上的所示 位置处的正输入电压Vi叩和负输入电压Vinn之间的电压差测得该差分输 入信号。图1C示出了差分输出信号，通过在图2A中的刀片204上的所示 位置处的正输出电压Voutp和负输出电压Voutn之间的电压差测得该差分 输出信号。通常，图1B和图1C都应当展现出差分信号的公知的"张开" 的眼图，在理想的通信系统中，输入端处的眼图在输出端处会被理想地复现(r印licate) —换言之，图1C中的输出图案会看起来和图IB中的输入 图案极为相似。两幅图都表明，由于以上在图1A中所讨论的信号反射现象， 所期望的"张开"的眼图在输入端处变得稍微失真，在输出端处失真更为 显著。可能发生如此大的失真，使得如图1C所示，"张开"的眼图闭合了， 这实质上意味着信号已经变得杂乱了。压差范围也变窄了，表示在刀片之 间损失了信号能量。在各种因素之中，这使得在接收到信号时难以对其进 行解码。
当前处理这种问题的方法集中在积极(active)的方案上，这种方案 试图在接收信号的刀片的电路之内整理(condition)差分信号并对其进行 解码。不过当前这些方案复杂而昂贵。尝试过一种消极(passive)的方法， 即简单地在输入端处提高信号功率。然而令人遗憾的是，这种方法仅影响 到输出端处的压差范围，对输入端和输出端之间发生的眼图"闭合"的问 题不起作用。


参考以下附图描述本发明的非限制性的且非穷举性的实施例，其中各
图中的类似附图标记表示类似的部分(除非另作说明)。
图1A是示出了服务器刀片与背板以及通过背板通信的截面图1B是诸如图1A所示的服务器的服务器实施例的差分输入电压随时
间^变4七的图示；
图1C是诸如图1A所示的服务器的服务器实施例的差分输出电压随时
间变化的图示；
图2A是根据本发明的刀片服务器的实施例的侧视图2B是诸如图2A所示的刀片服务器的刀片服务器实施例的差分输入
电压随时间变化的图示；
图2C是诸如图2A所示的刀片服务器的刀片服务器实施例的差分输出
电压随时间变化的图示；
图3是背板的实施例的截面，其示出了阻抗匹配端子接地的实施例； 图4A-4E是利用电阻器、电容器和电感器的组合的阻抗匹配端子实施
例的示意图；图5A-5B是利用电阻器和电容器的阻抗匹配端子的实施例的示意图； 图6A-6B是利用电阻器和电感器的阻抗匹配端子的实施例的示意图。
具体实施例方式
这里描述的是用于背板信号通道中的阻抗匹配的系统和方法的实施 例。在以下说明书中，描述了很多具体细节，以便提供对本发明实施例的 透彻理解。不过，相关领域的技术人员将认识到，可以不用一个或多个具 体细节，或者利用其他方法、元件、材料等来实践本发明。在其他情况下， 未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，但尽管如此它们仍被涵盖在 本发明的范围之内。
在整个说明书中提到的"一个实施例"或"实施例"表示结合该实施 例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因 此，在本说明书中出现的"在一个实施例中"或"在实施例中"的措词未 必都是指相同的实施例。此外，可以在一个或多个实施例中以任何适当方 式组合特定的特征、结构或特性。
图2A示出了包括根据本发明的刀片服务器200的装置的实施例。虽然
在此为了例示的目的使用了刀片服务器，但在其他实施例中装置200可以 是除刀片服务器之外的东西。刀片服务器200包括第一刀片206和第二服 务器刀片204，两者都电耦合并机械耦合到背板202。利用在背板的整个厚 度中延伸的一个或多个短截线将刀片204和206电耦合到背板中的信号通 道212。例如，刀片206—或更准确地说是刀片206上的电路一经由电耦合 到短截线216的迹线218以及电耦合到短截线214的迹线220而与信号通 道212耦合。类似地，刀片204上的电路经由电耦合到短截线234的迹线 224以及电耦合到短截线232的迹线226而与信号通道212耦合。利用它们 与信号通道212的电耦合，刀片204和206能够通过背板202中的信号通 道212相互通信。
如下所述，背板202包括正面和背面，刀片204和206耦合到正面， 诸如阻抗匹配端子228和230的元件耦合到背面。在背板202的一个实施 例中，背板是包括多个导电层222的印刷电路板，通过绝缘层221将导电 层222彼此分隔开。导电层在信号层和接地层之间交替变化一例如，如果某一层为信号层，则叠层中任一方向上的下一层为接地层(参见图3)。在 一个实施例中，导电层由诸如铜的金属制成，但在其他实施例中导电层当 然可以由其他金属或非金属导体制成。类似地，在一个实施例中，绝缘层 221由诸如FR4或Nelco 4000-13等电介质制成，二者都产自美国纽约 Melville的Park Electrochemical Corp.的Nelco California分公司。
背板202的正面包括插槽208和插槽210，刀片206通过插槽208机械 附着并电耦合到背板202，刀片204通过插槽210机械附着并电耦合到背板 202。短截线214和216贯穿背板的厚度并用于经由插槽208而将刀片206 电耦合到信号通道212。类似地，短截线232和234贯穿背板202的厚度并 用于经由插槽210而将刀片204电耦合到信号通道212。在一个实施例中， 短截线214、 216、 232和234仅电耦合到背板中的导电层之一，并且与其 余导电层绝缘；在图示的实施例中，短截线214、 216、 232和234电耦合 到信号通道212。虽然图中未示出，但在一个实施例中，信号通道212包括 一对通道，可以通过它们传输差分信号。在信号通道包括差分通道对时， 短截线214和234可以耦合到所述通道对中的一个，而短截线216和232 耦合到所述通道对中的另一个。利用这种布置，刀片206和204经由差分 信号而彼此通信。
分别利用插槽108和110将刀片204和206机械附着并电耦合到背板 102。在一个实施例中，刀片204和206可以是单个服务器。以刀片206为 例，刀片上可以包括诸如微处理器236以及存储器238等元件，在各实施 例中存储器238可以是随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、 静态随机存取存储器(SRAM)、静态动态随机存取存储器(SDRAM)、只读存 储器(RAM)或闪速存储器。当然，刀片204和206的其他实施例可以是除 服务器之外的装置，且可以包括除处理器236和存储器238之外的更多、 更少或不同的元件。此外，在图示的实施例中，利用球栅阵列(BGA)将元 件耦合到刀片，但在其他实施例中，可以用不同方式将元件耦合到刀片。
阻抗匹配端子228电耦合到短截线214和216中的一个或多个以及地。 类似地，阻抗匹配端子230耦合到短截线232和234中的一个或多个以及 地。在图示的实施例中，阻抗匹配端子228和230都包括一对电阻器，每 个电阻器耦合到每条短截线和地。虽然图示为连接到外部的地(例如不在刀片服务器200上的地)，但阻抗匹配端子也可以在刀片服务器自身内接地 (参见图3)。图中示出了可变电阻器，但在其他实施例中可以使用固定电 阻器。在其他实施例中，可以使用包括替代固定或可变电阻器或除它们以 外另外添加的其他电气元件(例如电容器和电感器)的阻抗匹配端子(参 见图4A-4D、图5A-5B、图6A-6B和图7)。在其他实施例中，作为替代或补 充，可以使用除电阻器、电容器和电感器之外的电气元件。
用于阻抗匹配端子中的电阻、电容、电感等的具体值将取决于诸如通 过短截线和信号通道传输的信号的数据速率以及信号通道的长度L等因素。 例如，当将电阻器用作阻抗匹配端子，信号通道的长度大约为9英寸或更 大，其传送的信号的数据速率为大约9吉比特每秒或更高(10Gbps)时， 发现大约25欧姆的电阻是最佳的。在阻抗匹配端子为电阻器的其他实施例 中，预计更长的信号通道将需要更低的电阻。
图2B和图2C示出了如图2A所示的将阻抗匹配端子附着于短截线末端 的效果。图2B示出了差分输入信号，通过图2A中的刀片206上所示的位 置处的正输入电压Vinp和负输入电压Vinn之间的电压差测得该差分输入 信号。图2C示出了差分输出信号，通过图2A中的刀片204上所示的位置 处的正输出电压Voutp和负输出电压Voutn之间的电压差测得该差分输出 信号。
由于将阻抗匹配端子施加到短截线末端，图2B现在表现出与差分信号 相关的常见的"张开"的眼图。类似地，虽然差分输出信号之前由于来自 短截线末端的信号反射而失真，但图2C现在也表现出与差分信号相关的熟 悉的"张开"的眼图。图2C中眼的中央的阴影正方形表示PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) 2003年1月发布的Advanced Telecom Computing Architecture (ATCA) 3. 0标准所提出的设计要求。ATCA 标准要求信号中至少有0.2伏的压差，从而可以对信号进行解码。于是， 阻抗匹配端子显著影响了长信号通道和高数据速率对这一规约 (specification)的符合情况。在理想的通信系统中，输入端处的眼图会 在输出端处得到理想的复现一换言之，图2B中的输出图案会看起来和图2C 中的输入图案极为相似。不过，图2C表明，输出图案的"张开柳艮"不再 闭合，尽管由于信号能量在信号通道中损失仍导致了信号压差范围的减小。图3示出了背板300的实施例，其示出了阻抗匹配端子接地的实施例。 背板300实质上是包括交替的信号层302和接地层304的印刷电路板，绝 缘层306将接地层和信号层分隔开。短截线310延伸穿过背板300的厚度 并电耦合到形成于导电层之一中的信号通道308。阻抗匹配端子312电耦合 到短截线310并通过将其耦合到背板300中的接地层304而接地。在图示 的实施例中，阻抗匹配端子在最靠近背板300的背面的接地层304中接地, 但在其他实施例中，阻抗匹配端子可以在背板中的某个其它层中接地。在 阻抗匹配端子312需要一个以上的接地部的实施例中(参见图4A-4D、图 5A-5B、图6A-6B和图7)，两个接地部可以都可以耦合到背板300中的相同 接地层或者可以耦合到不同接地层。
图4A-4E示出了可以用于图2A所示的装置200中的阻抗匹配端子的实 施例。图4A示出了这样的实施例其包括可变旁路电容器Cp，随后是可变 串联电阻器Rp和可变串联电感器Ls。在其他实施例中，元件可以是固定的 而非可变的，可以用分析法或经验法来确定图4A所示的元件的电阻、电容 和电感值。图4B示出了与图4A的实施例类似的实施例，只是改变了可变 旁路电容器的位置，使得该实施例包括可变串联电阻器Rs，随后是可变旁 路电容器Cp和可变串联电感器Ls。在其他实施例中，元件可以是固定的而 非可变的，可以用分析法或经验法来确定图4B所示元件的电阻、电容和电 感值。
图4C示出了与图4A的实施例类似的实施例，只是调换了电容器和电 感器的位置。那么本实施例包括可变旁路电感器Lp，随后是可变串联电阻 器Rp和可变串联电容器Cs。在其他实施例中，元件可以是固定的而非可变 的，可以用分析法或经验法来确定图4C所示的元件的电阻、电容和电感值。 图4D示出了与图4C的实施例类似的实施例，只是改变了旁路电感器的位 置。那么本实施例包括可变串联电阻器Rs，随后是可变旁路电感器Lp和可 变串联电容器Cs。在其他实施例中，元件可以是固定的而非可变的，可以 用分析法或经验法来确定图4D所示元件的电阻、电容和电感值。
图4E示出了可以用于图2A所示的装置200中的阻抗匹配端子的另一 实施例。本实施例包括可变串联电阻器Rs，随后是可变旁路电感器"和 可变旁路电容器Cp，随后是可变串联电阻器Rs、可变串联电感器Ls和可变串联电容器Cs。在该阻抗匹配端子的其他实施例中，元件可以是固定的而
非可变的，可以用分析法或经验法来确定图4D所示的元件的电阻、电容和 电感值。
图5A-5B示出了可以用在装置200中的阻抗匹配端子的其他实施例。 图5A示出了阻抗匹配端子的实施例，其包括可变旁路电容器Cp，随后是可 变串联电阻器Rp和可变串联电容器Cs。类似地，图5B示出了阻抗匹配端子 的实施例，其包括可变串联电阻器Rp，随后是可变旁路电容器Cp和可变串 联电容器Cs。对于图6A和图6B所示的实施例而言，可以用分析法或经验 法确定电阻和电容，在其他实施例中，图示的元件可以是固定的而不是可 变的。
图6A-6B示出了可用于装置200中的阻抗匹配端子的其他备选实施例。 图6A示出了阻抗匹配端子的实施例，其包括可变旁路电感器Lp，随后是可 变串联电阻器Rp和可变串联电感器Ls。类似地，图6B示出了阻抗匹配端子 的实施例，其包括可变串联电阻器Rs，随后是可变旁路电感器"和可变串 联电感器Ls。对于图6A和图6B所示的实施例而言，可以用分析法或经验 法确定电阻和电感，在其他实施例中，图示的元件可以是固定的而不是可 变的。
对本发明图示实施例的以上描述，包括在摘要中描述的内容，并非意 在穷举或将本发明限制在所公开的精确形式。尽管在此为了例示的目的描 述了本发明的具体实施例及本发明的范例，但如本领域的技术人员将认识 到的，在本发明的范围内各种等价的修改都是可能的。可以依据以上的详 细描述对本发明做出这些修改。
以下权利要求中使用的术语不应被视为将本发明限制到说明书和权利 要求中所公开的具体实施例。相反，本发明的范围完全由以下权利要求决 定，应根据权利要求解释的已建立的法律原则来解释如下权利要求。
权利要求
1、 一种设备，包括印刷电路板，其具有正面和背面，并且其中具有多个导电层，每个导 电层包括一个或多个信号通道；从所述正面延伸到所述背面的短截线，所述短截线电耦合到至少一个 信号通道；以及电耦合到所述短截线和地的阻抗匹配端子。
2、 根据权利要求1所述的设备，其中所述地为所述印刷电路板之外的地。
3、 根据权利要求1所述的设备，其中所述多个导电层包括被绝缘层彼 此分隔开的交替的多个信号层和多个接地层。
4、 根据权利要求3所述的设备，其中所述地为所述多个接地层中的一 个或多个。
5、 根据权利要求1所述的设备，其中所述阻抗匹配端子为可变电阻器。
6、 根据权利要求1所述的设备，其中所述阻抗匹配端子包括电容器和 电感器中的至少一种。
7、 根据权利要求1所述的设备，其中通过所述信号通道传播的信号具 有大约为9吉比特每秒(Gbps)或更大的数据速率。
8、 根据权利要求1所述的设备，其中所述信号通道的长度大约为9英 寸或更大。
9、 一种系统，其包括印刷电路板，其具有正面和背面，并且其中具有多个导电层，至少一 个所述导电层包括第一和第二信号通道，以传送差分信号；从所述正面延伸到所述背面的第一和第二短截线，所述第一短截线电 耦合到所述第一信号通道，而所述第二短截线电耦合到所述第二信号通道；耦合到所述印刷电路板的所述正面并电耦合到所述第一和第二短截线 的服务器刀片，所述服务器刀片上包括处理器和SDRAM存储器；以及阻抗匹配端子，其位于所述印刷电路板的所述背面上并连接到所述第 一和第二短截线以及地。
10、 根据权利要求9所述的系统，其中所述地为所述印刷电路板之外 的地。
11、 根据权利要求9所述的系统，其中所述多个导电层包括被绝缘层彼此分隔开的交替的多个信号层和多个接地层。
12、 根据权利要求11所述的系统，其中所述地为所述多个接地层中的一个或多个。
13、 根据权利要求9所述的系统，其中所述阻抗匹配端子为可变电阻器。
14、 根据权利要求9所述的系统，其中所述阻抗匹配端子包括电容器 和电感器中的至少一种。
15、 根据权利要求9所述的系统，其中通过所述信号通道传播的信号 具有大约为9吉比特每秒(Gbps)或更大的数据速率。
16、 根据权利要求9所述的系统，其中所述信号通道的长度大约为9 英寸或更大。
17、 一种方法，其包括提供印刷电路板，所述印刷电路板包括正面和背面，并且其中具有 多个导电层，每个导电层包括一个或多个信号通道，以及 从所述正面延伸到所述背面的短截线，所述短截线电耦合到至少 一个信号通道且设计用于从附着于所述印刷电路板的元件接收信号；以及 将阻抗匹配端子耦合到所述短截线和地。
18、 根据权利要求17所述的方法，还包括调节所述阻抗匹配端子的阻 抗，以优化所述信号通道中的信号质量。
19、 根据权利要求17所述的方法，其中所述多个导电层包括被绝缘层 彼此分隔开的交替的多个信号层和多个接地层。
20、 根据权利要求19所述的方法，其中将所述阻抗匹配端子耦合到地的步骤包括将所述阻抗匹配端子耦合到所述多个接地层中的一个或多个。
全文摘要
一种设备，包括印刷电路板，其具有正面和背面，并且其中具有多个导电层，每个导电层包括一个或多个信号通道；从正面延伸到背面的短截线，短截线电耦合到至少一个信号通道；以及电耦合到短截线和地的阻抗匹配端子。一种方法，包括提供印刷电路板，印刷电路板包括正面和背面，且其中具有多个导电层，每个导电层包括一个或多个信号通道；以及从正面延伸到背面的短截线，短截线电耦合到至少一个信号通道并用于从附着于印刷电路板的元件接收信号；以及将阻抗匹配端子耦合到短截线和地。
文档编号H05K1/02GK101313635SQ200680043953
公开日2008年11月26日 申请日期2006年12月7日 优先权日2005年12月21日
发明者Q·陈, X·蔡, X-M·高 申请人:英特尔公司