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絡中信號的行為，但您仍需要采取一些步驟來解釋結果。盡管某些信號完整性和 EM 仿真工具非常先進，但它們根本無法與您從測量中收集到的信息進行比較。無論您使用哪種方法來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分析信號的行為并識別電路板中的問題。

信號完整性分析入門

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

預布局分析

這部分實際上是關于電路設計和元件選擇。有三個重要的分析可以告訴您有關董事會行為的大量信息。

瞬態行為。瞬態響應也可以使用瞬態分析在時域中建模，或者您可以通過零極點分析確定瞬態的行為。這將顯示由于振鈴引起的過沖/下沖，然后可以根據您的設計規則進行檢查。

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絡，這意味著它們的線性行為可以用特定頻率下的 S 參數來描述。您可以根據時域中的反射系數確定 S 參數。您可以根據 S 參數計算網絡的傳遞函數，反之亦然。這是一個很好的指南，顯示了所有涉及的數學。

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行濾波器和放大器設計，因為低電平噪聲可能會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您的電路傳播可以幫助您嘗試不同的步驟來消除噪聲。

S 參數與 2 端口網絡的傳遞函數之間的關系。

布局后分析

這部分實際上是關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的信號完整性問題：

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的影響，只有當兩者相鄰時才會發生電容耦合。電感串擾不受范圍限制，電路板上的所有走線都可以通過磁場相互耦合。

傳輸線行為。雖然您可以在布局前階段使用傳輸線模型來檢查信號軌跡，但最好直接從您的布局中執行此操作。如果您的線路不受阻抗控制，那么您將需要檢查線路上的反射（如果有的話）是否會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，這可能會更加棘手，因為您正在尋找線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，讓您可以單獨檢查每個的行為。然后，您可以確定反射電平并查看信號電平是否滿足您的信號要求。

您在布局前檢查的所有內容！這里的重點是檢查寄生效應是否不會顯著改變電路板中信號的行為。如果多個跟蹤失敗，則需要修改您的布局。第一個開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。輕微的阻抗失配會導致強烈的反射，在數字信號中產生階梯響應，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。如果振鈴產生過大的過沖，那么將寄生電感和電容降低相同的系數將使您的走線特性阻抗保持恒定，同時增加電路中的阻尼，這將降低振鈴幅度。另一種是通過增加一個串聯電阻來增加阻尼。

信號完整性分析中的眼圖

眼圖測量是數字系統（尤其是千兆網絡設備和調幅信號）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：

定時抖動。當您查看開關期間的信號交叉時，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，這是時序抖動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。不過，您應該對數據進行一些基本分析，以量化 ISI并根據您的標準進行檢查。這將幫助您確定應該應用的均衡級別。

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

符號持續時間。這是在信號電平之間的中點處兩次抖動測量之間的時間。

如果我們假設電路中的多個噪聲源不相關（即獨立），并且每個噪聲源的自相關為零（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自眼圖將收斂到高斯分布。這意味著我們可以使用一些基本的統計分析來提取平均信號電平和時序抖動。如果您正在使用多電平信號，您可以在每個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，我們可以通過計算信號電平落在所需噪聲容限之外的次數來量化誤碼率。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。有很多開源程序和在線計算器可以很容易地為您計算這個累積概率。

將實際誤碼率與所需誤碼率進行比較時，您可以確定是否需要前向糾錯技術。通過多級信令，您還可以確定是否需要某種均衡方案。動態反饋均衡是一種已經對帶有 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。