超高速PCB设计中的宽带信号分(fēn)析

2021-06-03

超高速PCB设计中的宽带信号分(fēn)析

在进行高速设计时，良好的设计和分(fēn)析方法应该考虑到所讨论信号的整个带宽，而不仅仅是单个限制频率。模拟信号更简单，因為(wèi)它们的带宽更小(xiǎo)，但模拟组件的電(diàn)路仍然需要在整个带宽内具有(yǒu)平坦的响应，以防止信号衰减。

什么是宽带信号？

像许多(duō)工程术语一样，“宽带”这个词是一个相对术语；一位工程师的宽带信号是非常窄带的信号。一般来说，宽带信号是一种数字或模拟信号，其中包含分(fēn)布在广泛范围内的频率分(fēn)量。频率分(fēn)量的扩展范围可(kě)以是载波频率的百分(fēn)之几（例如，典型的 FM 信号），或者它可(kě)以跨越许多(duō)倍频程（例如，截断的数字信号）。无论如何，我们正在设计一个電(diàn)路板或分(fēn)析一个在广泛频率范围内突出的测量。

考虑NRZ 和 PAM4 信令。这两种信令方案无疑是宽带的；每个的奈奎斯特频率分(fēn)别是波特率的 1/2 和 1/4，但在超过 5 倍奈奎斯特频率时可(kě)以看到失真和错误。显然，在如此高的频率下发生的情况很(hěn)重要，但较旧的设计方法告诉设计人员只考虑在一个频率下发生的情况。

当典型的高速信号分(fēn)布在很(hěn)大的频率范围内时，您使用(yòng)哪个频率来设计互连？下面来自 Heyfitch 和 Shlepnev 的示例图片表明答(dá)案并不那么清楚。

带状線(xiàn)对高速信号的响应在高频下显着下降。这是因為(wèi)实际传输線(xiàn)的作用(yòng)类似于低通滤波器，而不是高通滤波器。

上图应该具有(yǒu)指导意义，并告诉您為(wèi)什么在整个信号带宽内工作如此重要。蓝色图显示了边缘速率為(wèi) 4 ps 的 PAM4 伪随机二进制位序列的功率谱密度，红色曲線(xiàn)显示了在互连的 Rx 端测量的响应（PCB 上只有(yǒu) 25 厘米的走線(xiàn)）。损耗主要发生在通常与毫米波信号相关的高 GHz 频率上。事实是，更多(duō)的数字设计人员需要在这些频率下工作，以适应高速信号标准中更快的边沿/波特率。

宽带信号分(fēn)析入门

首先，宽带信号分(fēn)析从频域开始（参见上面的 PSD 图！），因為(wèi)这是查看信号带宽以及 PCB 在不同频率下如何响应的唯一方法。在 PCB 设计中，宽带信号分(fēn)析可(kě)用(yòng)于评估信号带宽内的信号完整性指标，而不仅仅是在单个频率上。这是USB 4.0标准中采用(yòng)的分(fēn)析方法，我在其他(tā)领域也采用(yòng)相同的方法。

宽带信号分(fēn)析没有(yǒu)固定的过程要遵循。相反，您需要考虑对您的设计很(hěn)重要的重要信号完整性指标。在某些情况下（例如，我上面提到的 USB 4.0 标准），可(kě)能(néng)会指定宽带指标，然后您可(kě)以将其用(yòng)于比较。在设计过程中，您需要依靠信号完整性仿真工具来检查宽带信号行為(wèi)。

以下是检查不同设计中宽带信号行為(wèi)的一般过程：

选择一种在您的设计中很(hěn)重要的现象。示例包括关键网络之间的串扰、信号失真（根据传递函数计算）、插入损耗、回波损耗和電(diàn)源总線(xiàn)纹波/接地反弹（在 PDN 上）。需要施加一些上限/下限以确保您的设计正常运行。

模拟相关现象并转换到频域。进行傅立叶变换会将您的数据置于频域中，然后将用(yòng)于量化您是否达到了设计目标。

為(wèi)您的设计制定一个品质因数。在进行宽带信号分(fēn)析时，您需要有(yǒu)一些指标来量化您是否在整个信号带宽内达到了设计目标。这通常被表述為(wèi)频域中的某个积分(fēn)，这很(hěn)简单，可(kě)以进行数值计算。

為(wèi)了说明第 3 点，下面的示例来自我自己為(wèi)高速板设计带状線(xiàn)的工作。我将这个品质因数命名為(wèi)“集成阻抗偏差”(IID)，以努力遵循与在 SI 感知设计中使用(yòng)宽带设计指标的其他(tā)人相同的轨道。此命名方案类似于 USB 4.0 中使用(yòng)的命名方案（集成差分(fēn)串扰和集成回波损耗），不同之处在于此特定度量是比较而不是特定度量的计算。

示例：集成阻抗偏差

当试图将传输線(xiàn)设计為(wèi)目标特性阻抗时，基板中的色散和铜迹線(xiàn)中的粗糙度会在频域内产生与目标阻抗的奇怪偏差。整个设计带宽中IID的大小(xiǎo)告诉我我满足设计的阻抗要求的程度。在下面的定义中，Z T ( f ) 是我的目标阻抗，Z ( f ) 是根据分(fēn)析模型、模拟或数值模型确定的阻抗。光谱I ( f) 是输入電(diàn)流频谱，在此定义中用(yòng)作加权函数。这基本上让我们可(kě)以说明信号带宽的哪些部分(fēn)对阻抗匹配最重要。

我喜欢用(yòng)于高速宽带信号分(fēn)析的示例品质因数。

在上图中，我们可(kě)以看到，给定这个输入電(diàn)流脉冲，粗線(xiàn)和平滑線(xiàn)的 IID 值非常相似，即使它们的阻抗谱大不相同。这可(kě)以通过左侧 y 轴（阻抗的实部）上的幅度来解释；此处的标度仅跨越 ~2 欧姆，相比之下，虚数值的范围非常小(xiǎo)（仅 ~2%）。考虑到设计中增加的粗糙度，两条線(xiàn)非常匹配；事实上，这些線(xiàn)的走線(xiàn)宽高比只有(yǒu) 2% 的差异。

上面要注意的另一个重点是这种比较对于特定的输入脉冲是有(yǒu)效的。因此，如果我们想要检查不同的输入脉冲，我们将為(wèi)该通道设置不同的 IID 值。这些类型的比较甚至可(kě)以应用(yòng)于固有(yǒu)带宽受限的信号（例如，调频信号），然后将考虑有(yǒu)限的相关带宽和包含最多(duō)功率的信号部分(fēn)。

使用(yòng)宽带信号完整性指标

如果您正在為(wèi)您自己的设计类别确定宽带信号分(fēn)析指标，或者您只需要检查在宽带宽上与目标值的偏差，您会发现上述公式很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。上面的方程基本上是我设计的带状線(xiàn)上宽带信号電(diàn)压与带状線(xiàn)上所需信号之间的均方根误差。这种差异是由于设计阻抗 Z 和目标阻抗Z T之间的差异引起的 。

在这里，设计目标是调整信号几何结构，使IID保持在某个可(kě)接受的水平以下。如果IID太大，则设计阻抗和目标阻抗之间的差异太大。可(kě)以对其他(tā)信号完整性度量（例如，串扰、损耗、相位响应平坦度等）采用(yòng)类似的方法。

一种策略是使用(yòng)宽带信号完整性指标来开发“设计空间”，该术语与优化问题中定义的可(kě)行空间相关。这里的想法是使用(yòng)您认為(wèi)对您的设计很(hěn)重要的相关信号完整性指标来确定满足您的设计要求的可(kě)接受指标范围。这需要在前端进行大量模拟工作，例如场求解器计算或 IBIS 模拟，但它会帮助您在设计中制定一组可(kě)接受的信号完整性指标限制。

平衡 IID 和综合回波损耗 (IRL) 的设计空间示例。

根据优化问题的定义，您开发的设计空间可(kě)能(néng)是一个非常复杂的多(duō)维图，无法轻松可(kě)视化。试图平衡两个指标的最简单的设计空间是二维空间，如上例所示。在此示例中，我绘制了 USB 4.0 中定义的IID 和集成回波损耗 (IRL) 的可(kě)接受限制。虽然您可(kě)以使用(yòng)仿真来开发这些设计空间，但最好的策略是使用(yòng)测量来考虑信号完整性。

使用(yòng)测量而不是模拟

某些量，例如由于纤维编织效应引起的周期性载荷，无法使用(yòng) EDA 工具轻松模拟。在这种情况下，您仍然可(kě)以计算集成的宽带信号指标来量化信号行為(wèi)，但您将使用(yòng)您的测量而不是模拟。在这里，您可(kě)能(néng)希望根据您的数据计算品质因数，然后将其与您的设计目标进行比较。