PCB 中信号完整性分(fēn)析的基础知识

2021-06-24

PCB 中信号完整性分(fēn)析的基础知识

PCB 中信号完整性分(fēn)析的基础知识可(kě)以是基本的。仿真工具非常适合在原理(lǐ)图和布局设计期间计算不同网络中信号的行為(wèi)，但您仍需要采取一些步骤来解释结果。尽管某些信号完整性和 EM 仿真工具非常先进，但它们根本无法与您从测量中收集到的信息进行比较。无论您使用(yòng)哪种方法来检查電(diàn)路板中的信号完整性（两种方法都应该执行），您可(kě)以采取一些重要步骤来分(fēn)析信号的行為(wèi)并识别電(diàn)路板中的问题。

信号完整性分(fēn)析入门

信号完整性分(fēn)析从布局前阶段的仿真开始。建立布局后，您可(kě)以使用(yòng)一些重要的布局后仿真来分(fēn)析電(diàn)路板中与几何相关的信号完整性。在某些时候，您需要将您的模拟结果与实际测量结果进行比较，因此请将您的结果放在手边以便进行比较。

预布局分(fēn)析

这部分(fēn)实际上是关于電(diàn)路设计和元件选择。有(yǒu)三个重要的分(fēn)析可(kě)以告诉您有(yǒu)关董事会行為(wèi)的大量信息。

瞬态行為(wèi)。瞬态响应也可(kě)以使用(yòng)瞬态分(fēn)析在时域中建模，或者您可(kě)以通过零极点分(fēn)析确定瞬态的行為(wèi)。这将显示由于振铃引起的过冲/下冲，然后可(kě)以根据您的设计规则进行检查。

S 参数和传递函数。電(diàn)路板中的某些功能(néng)块可(kě)以建模為(wèi)多(duō)端口网络，这意味着它们的線(xiàn)性行為(wèi)可(kě)以用(yòng)特定频率下的 S 参数来描述。您可(kě)以根据时域中的反射系数确定 S 参数。您可(kě)以根据 S 参数计算网络的传递函数，反之亦然。这是一个很(hěn)好的指南，显示了所有(yǒu)涉及的数學(xué)。

噪音分(fēn)析。显示整流和饱和的组件（二极管、晶體(tǐ)管等）对噪声的响应与对预期信号的响应不同。这有(yǒu)助于在存在噪声的情况下进行滤波器和放大器设计，因為(wèi)低電(diàn)平噪声可(kě)能(néng)会遇到比所需信号更多(duō)或更少的跨阻。除此之外，不同的噪声源可(kě)以跨越频域（例如，1/f 噪声、散粒噪声和约翰逊-奈奎斯特噪声），解决某些電(diàn)路中存在的噪声可(kě)能(néng)具有(yǒu)挑战性。检查信号源上的噪声如何通过您的電(diàn)路传播可(kě)以帮助您尝试不同的步骤来消除噪声。

S 参数与 2 端口网络的传递函数之间的关系。

布局后分(fēn)析

这部分(fēn)实际上是关于检查電(diàn)路板中的寄生参数如何影响信号完整性。由于寄生信号完整性影响是電(diàn)路板几何形状的函数，因此您需要检查以下与几何形状相关的信号完整性问题：

相声。许多(duō)设计师的祸根是，串扰源于電(diàn)感和電(diàn)容耦合。如果您正在检查串扰对受害者和攻击者走線(xiàn)的影响，只有(yǒu)当两者相邻时才会发生電(diàn)容耦合。電(diàn)感串扰不受范围限制，電(diàn)路板上的所有(yǒu)走線(xiàn)都可(kě)以通过磁场相互耦合。

传输線(xiàn)行為(wèi)。虽然您可(kě)以在布局前阶段使用(yòng)传输線(xiàn)模型来检查信号轨迹，但最好直接从您的布局中执行此操作。如果您的線(xiàn)路不受阻抗控制，那么您将需要检查線(xiàn)路上的反射（如果有(yǒu)的话）是否会降低接收器的信号電(diàn)平并导致数字信号的阶梯响应。对于模拟信号，这可(kě)能(néng)会更加棘手，因為(wèi)您正在寻找線(xiàn)路上的干扰和驻波形成。但是，正确的信号完整性模拟器可(kě)以将入射波和反射波分(fēn)开，让您可(kě)以单独检查每个的行為(wèi)。然后，您可(kě)以确定反射電(diàn)平并查看信号電(diàn)平是否满足您的信号要求。

您在布局前检查的所有(yǒu)内容！这里的重点是检查寄生效应是否不会显着改变電(diàn)路板中信号的行為(wèi)。如果多(duō)个跟踪失败，则需要修改您的布局。第一个开始是您的堆叠和跟踪几何。

您应该采取的确切步骤取决于究竟是什么失败了。轻微的阻抗失配会导致强烈的反射，在数字信号中产生阶梯响应，因此必须减少阻抗失配（理(lǐ)想情况下，它应该為(wèi)零）。振铃是由寄生電(diàn)感和電(diàn)容引起的。如果振铃产生过大的过冲，那么将寄生電(diàn)感和電(diàn)容降低相同的系数将使您的走線(xiàn)特性阻抗保持恒定，同时增加電(diàn)路中的阻尼，这将降低振铃幅度。另一种是通过增加一个串联電(diàn)阻来增加阻尼。

信号完整性分(fēn)析中的眼图

眼图测量是数字系统（尤其是千兆网络设备和调幅信号）中使用(yòng)的最基本的测量之一。模拟数字通道中的误码率需要考虑電(diàn)路板中的噪声源，这些源并不总是先验已知的。这种特殊的测量可(kě)帮助您从一次测量中量化大量信息。您可(kě)以直接从眼图测量中提取以下信息：

定时抖动。当您查看开关期间的信号交叉时，可(kě)以直接从眼图看到上升/下降起始的变化。

信号電(diàn)平变化。您将能(néng)够轻松查看信号電(diàn)平的变化情况。通常，这是时序抖动加上其他(tā)随机噪声的某种函数。

码间干扰 (ISI)。这在多(duō)级信令（例如，PAM-4）中很(hěn)重要，并且从眼图上可(kě)以很(hěn)明显地看出这一点。不过，您应该对数据进行一些基本分(fēn)析，以量化 ISI并根据您的标准进行检查。这将帮助您确定应该应用(yòng)的均衡级别。

平均上升/下降时间。这与抖动和信号電(diàn)平之间的平均转换有(yǒu)关。您可(kě)以使用(yòng)平均 90% 信号電(diàn)平时间和平均 10% 信号電(diàn)平时间之间的时间轻松计算此值。

符号持续时间。这是在信号電(diàn)平之间的中点处两次抖动测量之间的时间。

如果我们假设電(diàn)路中的多(duō)个噪声源不相关（即独立），并且每个噪声源的自相关為(wèi)零（约翰逊-奈奎斯特噪声和 1/f 噪声就是这种情况），那么我们测量的任何平均值来自眼图将收敛到高斯分(fēn)布。这意味着我们可(kě)以使用(yòng)一些基本的统计分(fēn)析来提取平均信号電(diàn)平和时序抖动。如果您正在使用(yòng)多(duō)電(diàn)平信号，您可(kě)以在每个電(diàn)平上应用(yòng)平均信号電(diàn)平测量。您还可(kě)以从眼图中提取一些其他(tā)测量值；以获取有(yǒu)关其他(tā)测量的指导。

0 電(diàn)平的眼图和统计数据。

从这里，我们可(kě)以通过计算信号電(diàn)平落在所需噪声容限之外的次数来量化误码率。由于您通常使用(yòng)数十亿位，因此更容易计算信号電(diàn)平达到每个信令電(diàn)平的未定义區(qū)域阈值的累积概率。由于我们通常使用(yòng)高斯分(fēn)布（请参阅上面的直方图），因此可(kě)以使用(yòng)误差函数轻松计算信号达到未定义上限或下限的概率。有(yǒu)很(hěn)多(duō)开源程序和在線(xiàn)计算器可(kě)以很(hěn)容易地為(wèi)您计算这个累积概率。

将实际误码率与所需误码率进行比较时，您可(kě)以确定是否需要前向纠错技术。通过多(duō)级信令，您还可(kě)以确定是否需要某种均衡方案。动态反馈均衡是一种已经对带有(yǒu) PAM-4 的 400G 有(yǒu)用(yòng)的方案，尽管其他(tā)均衡方案更适合在不同情况下降低 ISI。