超高速PCB設計中的寬帶信號分析

2021-06-03

超高速PCB設計中的寬帶信號分析

在進(jìn)行高速設計時(shí)，良好的設計和分析方法應該考慮到所討論信號的整個(gè)帶寬，而不僅僅是單個(gè)限制頻率。模擬信號更簡(jiǎn)單，因為它們的帶寬更小，但模擬組件的電路仍然需要在整個(gè)帶寬內具有平坦的響應，以防止信號衰減。

什么是寬帶信號？

像許多工程術(shù)語(yǔ)一樣，“寬帶”這個(gè)詞是一個(gè)相對術(shù)語(yǔ)；一位工程師的寬帶信號是非常窄帶的信號。一般來(lái)說(shuō)，寬帶信號是一種數字或模擬信號，其中包含分布在廣泛范圍內的頻率分量。頻率分量的擴展范圍可以是載波頻率的百分之幾（例如，典型的 FM 信號），或者它可以跨越許多倍頻程（例如，截斷的數字信號）。無(wú)論如何，我們正在設計一個(gè)電路板或分析一個(gè)在廣泛頻率范圍內突出的測量。

考慮NRZ 和 PAM4 信令。這兩種信令方案無(wú)疑是寬帶的；每個(gè)的奈奎斯特頻率分別是波特率的 1/2 和 1/4，但在超過(guò) 5 倍奈奎斯特頻率時(shí)可以看到失真和錯誤。顯然，在如此高的頻率下發(fā)生的情況很重要，但較舊的設計方法告訴設計人員只考慮在一個(gè)頻率下發(fā)生的情況。

當典型的高速信號分布在很大的頻率范圍內時(shí)，您使用哪個(gè)頻率來(lái)設計互連？下面來(lái)自 Heyfitch 和 Shlepnev 的示例圖片表明答案并不那么清楚。

帶狀線(xiàn)對高速信號的響應在高頻下顯著(zhù)下降。這是因為實(shí)際傳輸線(xiàn)的作用類(lèi)似于低通濾波器，而不是高通濾波器。

上圖應該具有指導意義，并告訴您為什么在整個(gè)信號帶寬內工作如此重要。藍色圖顯示了邊緣速率為 4 ps 的 PAM4 偽隨機二進(jìn)制位序列的功率譜密度，紅色曲線(xiàn)顯示了在互連的 Rx 端測量的響應（PCB 上只有 25 厘米的走線(xiàn)）。損耗主要發(fā)生在通常與毫米波信號相關(guān)的高 GHz 頻率上。事實(shí)是，更多的數字設計人員需要在這些頻率下工作，以適應高速信號標準中更快的邊沿/波特率。

寬帶信號分析入門(mén)

首先，寬帶信號分析從頻域開(kāi)始（參見(jiàn)上面的 PSD 圖?。?，因為這是查看信號帶寬以及 PCB 在不同頻率下如何響應的唯一方法。在 PCB 設計中，寬帶信號分析可用于評估信號帶寬內的信號完整性指標，而不僅僅是在單個(gè)頻率上。這是USB 4.0標準中采用的分析方法，我在其他領(lǐng)域也采用相同的方法。

寬帶信號分析沒(méi)有固定的過(guò)程要遵循。相反，您需要考慮對您的設計很重要的重要信號完整性指標。在某些情況下（例如，我上面提到的 USB 4.0 標準），可能會(huì )指定寬帶指標，然后您可以將其用于比較。在設計過(guò)程中，您需要依靠信號完整性仿真工具來(lái)檢查寬帶信號行為。

以下是檢查不同設計中寬帶信號行為的一般過(guò)程：

選擇一種在您的設計中很重要的現象。示例包括關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )之間的串擾、信號失真（根據傳遞函數計算）、插入損耗、回波損耗和電源總線(xiàn)紋波/接地反彈（在 PDN 上）。需要施加一些上限/下限以確保您的設計正常運行。

模擬相關(guān)現象并轉換到頻域。進(jìn)行傅立葉變換會(huì )將您的數據置于頻域中，然后將用于量化您是否達到了設計目標。

為您的設計制定一個(gè)品質(zhì)因數。在進(jìn)行寬帶信號分析時(shí)，您需要有一些指標來(lái)量化您是否在整個(gè)信號帶寬內達到了設計目標。這通常被表述為頻域中的某個(gè)積分，這很簡(jiǎn)單，可以進(jìn)行數值計算。

為了說(shuō)明第 3 點(diǎn)，下面的示例來(lái)自我自己為高速板設計帶狀線(xiàn)的工作。我將這個(gè)品質(zhì)因數命名為“集成阻抗偏差”(IID)，以努力遵循與在 SI 感知設計中使用寬帶設計指標的其他人相同的軌道。此命名方案類(lèi)似于 USB 4.0 中使用的命名方案（集成差分串擾和集成回波損耗），不同之處在于此特定度量是比較而不是特定度量的計算。

示例：集成阻抗偏差

當試圖將傳輸線(xiàn)設計為目標特性阻抗時(shí)，基板中的色散和銅跡線(xiàn)中的粗糙度會(huì )在頻域內產(chǎn)生與目標阻抗的奇怪偏差。整個(gè)設計帶寬中IID的大小告訴我我滿(mǎn)足設計的阻抗要求的程度。在下面的定義中，Z T ( f ) 是我的目標阻抗，Z ( f ) 是根據分析模型、模擬或數值模型確定的阻抗。光譜I ( f) 是輸入電流頻譜，在此定義中用作加權函數。這基本上讓我們可以說(shuō)明信號帶寬的哪些部分對阻抗匹配最重要。

我喜歡用于高速寬帶信號分析的示例品質(zhì)因數。

在上圖中，我們可以看到，給定這個(gè)輸入電流脈沖，粗線(xiàn)和平滑線(xiàn)的 IID 值非常相似，即使它們的阻抗譜大不相同。這可以通過(guò)左側 y 軸（阻抗的實(shí)部）上的幅度來(lái)解釋?zhuān)淮颂幍臉硕葍H跨越 ~2 歐姆，相比之下，虛數值的范圍非常?。▋H ~2%）?？紤]到設計中增加的粗糙度，兩條線(xiàn)非常匹配；事實(shí)上，這些線(xiàn)的走線(xiàn)寬高比只有 2% 的差異。

上面要注意的另一個(gè)重點(diǎn)是這種比較對于特定的輸入脈沖是有效的。因此，如果我們想要檢查不同的輸入脈沖，我們將為該通道設置不同的 IID 值。這些類(lèi)型的比較甚至可以應用于固有帶寬受限的信號（例如，調頻信號），然后將考慮有限的相關(guān)帶寬和包含最多功率的信號部分。

使用寬帶信號完整性指標

如果您正在為您自己的設計類(lèi)別確定寬帶信號分析指標，或者您只需要檢查在寬帶寬上與目標值的偏差，您會(huì )發(fā)現上述公式很有用。上面的方程基本上是我設計的帶狀線(xiàn)上寬帶信號電壓與帶狀線(xiàn)上所需信號之間的均方根誤差。這種差異是由于設計阻抗 Z 和目標阻抗Z T之間的差異引起的 。

在這里，設計目標是調整信號幾何結構，使IID保持在某個(gè)可接受的水平以下。如果IID太大，則設計阻抗和目標阻抗之間的差異太大?？梢詫ζ渌盘柾暾远攘浚ɡ?，串擾、損耗、相位響應平坦度等）采用類(lèi)似的方法。

一種策略是使用寬帶信號完整性指標來(lái)開(kāi)發(fā)“設計空間”，該術(shù)語(yǔ)與優(yōu)化問(wèn)題中定義的可行空間相關(guān)。這里的想法是使用您認為對您的設計很重要的相關(guān)信號完整性指標來(lái)確定滿(mǎn)足您的設計要求的可接受指標范圍。這需要在前端進(jìn)行大量模擬工作，例如場(chǎng)求解器計算或 IBIS 模擬，但它會(huì )幫助您在設計中制定一組可接受的信號完整性指標限制。

平衡 IID 和綜合回波損耗 (IRL) 的設計空間示例。

根據優(yōu)化問(wèn)題的定義，您開(kāi)發(fā)的設計空間可能是一個(gè)非常復雜的多維圖，無(wú)法輕松可視化。試圖平衡兩個(gè)指標的最簡(jiǎn)單的設計空間是二維空間，如上例所示。在此示例中，我繪制了 USB 4.0 中定義的IID 和集成回波損耗 (IRL) 的可接受限制。雖然您可以使用仿真來(lái)開(kāi)發(fā)這些設計空間，但最好的策略是使用測量來(lái)考慮信號完整性。

使用測量而不是模擬

某些量，例如由于纖維編織效應引起的周期性載荷，無(wú)法使用 EDA 工具輕松模擬。在這種情況下，您仍然可以計算集成的寬帶信號指標來(lái)量化信號行為，但您將使用您的測量而不是模擬。在這里，您可能希望根據您的數據計算品質(zhì)因數，然后將其與您的設計目標進(jìn)行比較。