PCB中信号完整性分(fēn)析的基础

2020-09-22

PCB中信号完整性分(fēn)析的基础可(kě)以是基本的。仿真工具非常适合在原理(lǐ)图和布局设计过程中计算不同网络中信号的行為(wèi)，但是您仍然需要采取一些步骤来解释结果。尽管某些信号完整性和EM仿真工具可(kě)以提供先进的功能(néng)，但它们根本无法与您可(kě)以从测量中获得的信息进行比较。无论您使用(yòng)哪种方法检查電(diàn)路板上的信号完整性（都应同时进行），可(kě)以采取一些重要步骤来分(fēn)析信号的行為(wèi)并确定電(diàn)路板上的问题。

信号完整性分(fēn)析入门

信号完整性分(fēn)析从预布局阶段的仿真开始。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)路板上与几何相关的信号完整性。在某些时候，您需要将模拟结果与实际测量结果进行比较，因此请務(wù)必方便进行比较。

布局前分(fēn)析

这部分(fēn)实际上是关于電(diàn)路设计和组件选择的。有(yǒu)三项重要的分(fēn)析可(kě)為(wèi)您提供有(yǒu)关董事会行為(wèi)的大量信息。

暂时行為(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)以根据零极点分(fēn)析确定瞬态的行為(wèi)。这将显示由于振铃而引起的上冲/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。板上的某些功能(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参数表示。您可(kě)以从时域中的反射系数确定S参数。您可(kě)以从S参数计算网络的传递函数，反之亦然。这是一本很(hěn)好的指南，显示了所涉及的所有(yǒu)数學(xué)。

噪声分(fēn)析。表现出整流和饱和的组件（二极管，晶體(tǐ)管等）对噪声的响应与对预期信号的响应将有(yǒu)所不同。这有(yǒu)助于在存在噪声的情况下进行滤波器和放大器的设计，因為(wèi)低電(diàn)平噪声可(kě)能(néng)会比所需信号遭受更多(duō)或更少的跨阻。除此之外，不同的噪声源可(kě)能(néng)会跨越整个频域（例如1 / f噪声，散粒噪声和Johnson-Nyquist噪声），并且解决某些電(diàn)路中存在的噪声可(kě)能(néng)是具有(yǒu)挑战性的。检查信号源上的噪声如何通过電(diàn)路传播可(kě)以帮助您尝试不同的步骤来消除噪声。

布局后分(fēn)析

这部分(fēn)实际上是关于检查電(diàn)路板上的寄生虫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。串扰是许多(duō)设计师的祸根，它来自電(diàn)感和電(diàn)容耦合。如果要检查串扰对受害者和攻击者走線(xiàn)的影响，则只有(yǒu)当两者相邻时才会发生電(diàn)容耦合。感应串扰不受范围限制，并且板上的所有(yǒu)走線(xiàn)都可(kě)以通过磁场相互耦合。

传输線(xiàn)行為(wèi)。虽然可(kě)以在预布局阶段使用(yòng)传输線(xiàn)模型检查信号迹線(xiàn)，但最好直接从布局中进行。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)）是否会降低接收器的信号電(diàn)平，并导致数字信号产生阶梯式响应。使用(yòng)模拟信号时，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，从而使您可(kě)以分(fēn)别检查每个波的行為(wèi)。然后，您可(kě)以确定反射级别，并查看信号级别是否满足您的信令要求。

您检查过的所有(yǒu)内容都经过布局前检查！这里的目的是要检查寄生效应不会显着改变電(diàn)路板上信号的行為(wèi)。如果多(duō)条走線(xiàn)失败，则需要修改布局。首先要开始的是堆栈和走線(xiàn)几何。

您应该采取的确切步骤取决于发生了什么失败。较小(xiǎo)的阻抗失配会导致强烈反射，从而在数字信号中产生阶梯式响应，因此必须减少阻抗失配（理(lǐ)想情况下应為(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，则将寄生電(diàn)感和電(diàn)容减小(xiǎo)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，从而减小(xiǎo)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（尤其是千兆位网络设备和调幅信号）中使用(yòng)的最基本的测量之一。在数字通道中模拟误码率需要考虑電(diàn)路板上的噪声源，而噪声源并非总是先验的。这种特定的度量可(kě)以帮助您从单个度量中量化大量信息。您可(kě)以直接从眼图测量中提取以下信息：

定时抖动。当您查看切换期间的信号交叉点时，可(kě)以直接从眼图中看到上升/下降启动的变化。

信号電(diàn)平变化。您将能(néng)够轻松查看信号電(diàn)平如何变化。通常，这是定时抖动和其他(tā)随机噪声的某种功能(néng)。

符号间干扰（ISI）。这在多(duō)级信令（例如PAM-4）中很(hěn)重要，从眼图看很(hěn)明显。不过，您应该对数据进行一些基本分(fēn)析，以量化ISI并对照标准进行检查。这将帮助您确定应应用(yòng)的均衡级别。

平均上升/下降时间。这与信号電(diàn)平之间的抖动和平均过渡有(yǒu)关。您可(kě)以使用(yòng)平均90％信号電(diàn)平时间与平均10％信号電(diàn)平时间之间的时间轻松计算出该时间。

符号持续时间。这是两次抖动测量之间在信号電(diàn)平之间的中点之间的时间。

如果我们假设電(diàn)路中的多(duō)个噪声源是不相关的（即独立的），并且每个噪声源的自相关為(wèi)零（Johnson-Nyquist噪声和1 / f噪声就是这种情况），那么我们从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)平信令，则可(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)以从眼图中提取其他(tā)一些测量值。

从这里，我们可(kě)以通过计算信号電(diàn)平超出所需噪声容限的次数来量化误码率。由于您通常使用(yòng)数十亿比特，因此更容易计算每个信号電(diàn)平的信号電(diàn)平达到未定义區(qū)域阈值的累积概率。由于我们通常使用(yòng)高斯分(fēn)布（请参见上面的直方图），因此可(kě)以使用(yòng)误差函数轻松计算信号达到未定义的上限或下限阈值的概率。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)您计算这种累积概率。

将实际误码率与所需误码率进行比较时，可(kě)以确定是否需要前向纠错技术。使用(yòng)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用(yòng)于PAM-4的400G的方案，尽管其他(tā)均衡方案对于减少不同情况下的ISI更好。