PCB 中信號完整性分析的基礎知識

2021-06-24

PCB 中信號完整性分析的基礎知識

PCB 中信號完整性分析的基礎知識可以是基本的。仿真工具非常適合在原理圖和布局設計期間計算不同網(wǎng)絡(luò )中信號的行為，但您仍需要采取一些步驟來(lái)解釋結果。盡管某些信號完整性和 EM 仿真工具非常先進(jìn)，但它們根本無(wú)法與您從測量中收集到的信息進(jìn)行比較。無(wú)論您使用哪種方法來(lái)檢查電路板中的信號完整性（兩種方法都應該執行），您可以采取一些重要步驟來(lái)分析信號的行為并識別電路板中的問(wèn)題。

信號完整性分析入門(mén)

信號完整性分析從布局前階段的仿真開(kāi)始。建立布局后，您可以使用一些重要的布局后仿真來(lái)分析電路板中與幾何相關(guān)的信號完整性。在某些時(shí)候，您需要將您的模擬結果與實(shí)際測量結果進(jìn)行比較，因此請將您的結果放在手邊以便進(jìn)行比較。

預布局分析

這部分實(shí)際上是關(guān)于電路設計和元件選擇。有三個(gè)重要的分析可以告訴您有關(guān)董事會(huì )行為的大量信息。

瞬態(tài)行為。瞬態(tài)響應也可以使用瞬態(tài)分析在時(shí)域中建模，或者您可以通過(guò)零極點(diǎn)分析確定瞬態(tài)的行為。這將顯示由于振鈴引起的過(guò)沖/下沖，然后可以根據您的設計規則進(jìn)行檢查。

S 參數和傳遞函數。電路板中的某些功能塊可以建模為多端口網(wǎng)絡(luò )，這意味著(zhù)它們的線(xiàn)性行為可以用特定頻率下的 S 參數來(lái)描述。您可以根據時(shí)域中的反射系數確定 S 參數。您可以根據 S 參數計算網(wǎng)絡(luò )的傳遞函數，反之亦然。這是一個(gè)很好的指南，顯示了所有涉及的數學(xué)。

噪音分析。顯示整流和飽和的組件（二極管、晶體管等）對噪聲的響應與對預期信號的響應不同。這有助于在存在噪聲的情況下進(jìn)行濾波器和放大器設計，因為低電平噪聲可能會(huì )遇到比所需信號更多或更少的跨阻。除此之外，不同的噪聲源可以跨越頻域（例如，1/f 噪聲、散粒噪聲和約翰遜-奈奎斯特噪聲），解決某些電路中存在的噪聲可能具有挑戰性。檢查信號源上的噪聲如何通過(guò)您的電路傳播可以幫助您嘗試不同的步驟來(lái)消除噪聲。

S 參數與 2 端口網(wǎng)絡(luò )的傳遞函數之間的關(guān)系。

布局后分析

這部分實(shí)際上是關(guān)于檢查電路板中的寄生參數如何影響信號完整性。由于寄生信號完整性影響是電路板幾何形狀的函數，因此您需要檢查以下與幾何形狀相關(guān)的信號完整性問(wèn)題：

相聲。許多設計師的禍根是，串擾源于電感和電容耦合。如果您正在檢查串擾對受害者和攻擊者走線(xiàn)的影響，只有當兩者相鄰時(shí)才會(huì )發(fā)生電容耦合。電感串擾不受范圍限制，電路板上的所有走線(xiàn)都可以通過(guò)磁場(chǎng)相互耦合。

傳輸線(xiàn)行為。雖然您可以在布局前階段使用傳輸線(xiàn)模型來(lái)檢查信號軌跡，但最好直接從您的布局中執行此操作。如果您的線(xiàn)路不受阻抗控制，那么您將需要檢查線(xiàn)路上的反射（如果有的話(huà)）是否會(huì )降低接收器的信號電平并導致數字信號的階梯響應。對于模擬信號，這可能會(huì )更加棘手，因為您正在尋找線(xiàn)路上的干擾和駐波形成。但是，正確的信號完整性模擬器可以將入射波和反射波分開(kāi)，讓您可以單獨檢查每個(gè)的行為。然后，您可以確定反射電平并查看信號電平是否滿(mǎn)足您的信號要求。

您在布局前檢查的所有內容！這里的重點(diǎn)是檢查寄生效應是否不會(huì )顯著(zhù)改變電路板中信號的行為。如果多個(gè)跟蹤失敗，則需要修改您的布局。第一個(gè)開(kāi)始是您的堆疊和跟蹤幾何。

您應該采取的確切步驟取決于究竟是什么失敗了。輕微的阻抗失配會(huì )導致強烈的反射，在數字信號中產(chǎn)生階梯響應，因此必須減少阻抗失配（理想情況下，它應該為零）。振鈴是由寄生電感和電容引起的。如果振鈴產(chǎn)生過(guò)大的過(guò)沖，那么將寄生電感和電容降低相同的系數將使您的走線(xiàn)特性阻抗保持恒定，同時(shí)增加電路中的阻尼，這將降低振鈴幅度。另一種是通過(guò)增加一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)增加阻尼。

信號完整性分析中的眼圖

眼圖測量是數字系統（尤其是千兆網(wǎng)絡(luò )設備和調幅信號）中使用的最基本的測量之一。模擬數字通道中的誤碼率需要考慮電路板中的噪聲源，這些源并不總是先驗已知的。這種特殊的測量可幫助您從一次測量中量化大量信息。您可以直接從眼圖測量中提取以下信息：

定時(shí)抖動(dòng)。當您查看開(kāi)關(guān)期間的信號交叉時(shí)，可以直接從眼圖看到上升/下降起始的變化。

信號電平變化。您將能夠輕松查看信號電平的變化情況。通常，這是時(shí)序抖動(dòng)加上其他隨機噪聲的某種函數。

碼間干擾 (ISI)。這在多級信令（例如，PAM-4）中很重要，并且從眼圖上可以很明顯地看出這一點(diǎn)。不過(guò)，您應該對數據進(jìn)行一些基本分析，以量化 ISI并根據您的標準進(jìn)行檢查。這將幫助您確定應該應用的均衡級別。

平均上升/下降時(shí)間。這與抖動(dòng)和信號電平之間的平均轉換有關(guān)。您可以使用平均 90% 信號電平時(shí)間和平均 10% 信號電平時(shí)間之間的時(shí)間輕松計算此值。

符號持續時(shí)間。這是在信號電平之間的中點(diǎn)處兩次抖動(dòng)測量之間的時(shí)間。

如果我們假設電路中的多個(gè)噪聲源不相關(guān)（即獨立），并且每個(gè)噪聲源的自相關(guān)為零（約翰遜-奈奎斯特噪聲和 1/f 噪聲就是這種情況），那么我們測量的任何平均值來(lái)自眼圖將收斂到高斯分布。這意味著(zhù)我們可以使用一些基本的統計分析來(lái)提取平均信號電平和時(shí)序抖動(dòng)。如果您正在使用多電平信號，您可以在每個(gè)電平上應用平均信號電平測量。您還可以從眼圖中提取一些其他測量值；以獲取有關(guān)其他測量的指導。

0 電平的眼圖和統計數據。

從這里，我們可以通過(guò)計算信號電平落在所需噪聲容限之外的次數來(lái)量化誤碼率。由于您通常使用數十億位，因此更容易計算信號電平達到每個(gè)信令電平的未定義區域閾值的累積概率。由于我們通常使用高斯分布（請參閱上面的直方圖），因此可以使用誤差函數輕松計算信號達到未定義上限或下限的概率。有很多開(kāi)源程序和在線(xiàn)計算器可以很容易地為您計算這個(gè)累積概率。

將實(shí)際誤碼率與所需誤碼率進(jìn)行比較時(shí)，您可以確定是否需要前向糾錯技術(shù)。通過(guò)多級信令，您還可以確定是否需要某種均衡方案。動(dòng)態(tài)反饋均衡是一種已經(jīng)對帶有 PAM-4 的 400G 有用的方案，盡管其他均衡方案更適合在不同情況下降低 ISI。