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超高速PCB設(shè)計(jì)中的寬帶信號(hào)分析
超高速PCB設(shè)計(jì)中的寬帶信號(hào)分析
在進(jìn)行高速設(shè)計(jì)時(shí)，良好的設(shè)計(jì)和分析方法應(yīng)該考慮到所討論信號(hào)的整個(gè)帶寬，而不僅僅是單個(gè)限制頻率。模擬信號(hào)更簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈兊膸捀。M組件的電路仍然需要在整個(gè)帶寬內(nèi)具有平坦的響應(yīng)，以防止信號(hào)衰減。
什么是寬帶信號(hào)？
像許多工程術(shù)語(yǔ)一樣，“寬帶”這個(gè)詞是一個(gè)相對(duì)術(shù)語(yǔ)；一位工程師的寬帶信號(hào)是非常窄帶的信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，寬帶信號(hào)是一種數(shù)字或模擬信號(hào)，其中包含分布在廣泛范圍內(nèi)的頻率分量。頻率分量的擴(kuò)展范圍可以是載波頻率的百分之幾（例如，典型的 FM 信號(hào)），或者它可以跨越許多倍頻程（例如，截?cái)嗟臄?shù)字信號(hào)）。無(wú)論如何，我們正在設(shè)計(jì)一個(gè)電路板或分析一個(gè)在廣泛頻率范圍內(nèi)突出的測(cè)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(cuò)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(shè)計(jì)方法告訴設(shè)計(jì)人員只考慮在一個(gè)頻率下發(fā)生的情況。
當(dāng)?shù)湫偷母咚傩盘?hào)分布在很大的頻率范圍內(nèi)時(shí)，您使用哪個(gè)頻率來(lái)設(shè)計(jì)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。
帶狀線對(duì)高速信號(hào)的響應(yīng)在高頻下顯著下降。這是因?yàn)閷?shí)際傳輸線的作用類似于低通濾波器，而不是高通濾波器。
上圖應(yīng)該具有指導(dǎo)意義，并告訴您為什么在整個(gè)信號(hào)帶寬內(nèi)工作如此重要。藍(lán)色圖顯示了邊緣速率為 4 ps 的 PAM4 偽隨機(jī)二進(jìn)制位序列的功率譜密度，紅色曲線顯示了在互連的 Rx 端測(cè)量的響應(yīng)（PCB 上只有 25 厘米的走線）。損耗主要發(fā)生在通常與毫米波信號(hào)相關(guān)的高 GHz 頻率上。事實(shí)是，更多的數(shù)字設(shè)計(jì)人員需要在這些頻率下工作，以適應(yīng)高速信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)中更快的邊沿/波特率。
寬帶信號(hào)分析入門
首先，寬帶信號(hào)分析從頻域開始（參見上面的 PSD 圖?。?yàn)檫@是查看信號(hào)帶寬以及 PCB 在不同頻率下如何響應(yīng)的唯一方法。在 PCB 設(shè)計(jì)中，寬帶信號(hào)分析可用于評(píng)估信號(hào)帶寬內(nèi)的信號(hào)完整性指標(biāo)，而不僅僅是在單個(gè)頻率上。這是USB 4.0標(biāo)準(zhǔn)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(hào)分析沒(méi)有固定的過(guò)程要遵循。相反，您需要考慮對(duì)您的設(shè)計(jì)很重要的重要信號(hào)完整性指標(biāo)。在某些情況下（例如，我上面提到的 USB 4.0 標(biāo)準(zhǔn)），可能會(huì)指定寬帶指標(biāo)，然后您可以將其用于比較。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，您需要依靠信號(hào)完整性仿真工具來(lái)檢查寬帶信號(hào)行為。
以下是檢查不同設(shè)計(jì)中寬帶信號(hào)行為的一般過(guò)程：
選擇一種在您的設(shè)計(jì)中很重要的現(xiàn)象。示例包括關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)之間的串?dāng)_、信號(hào)失真（根據(jù)傳遞函數(shù)計(jì)算）、插入損耗、回波損耗和電源總線紋波/接地反彈（在 PDN 上）。需要施加一些上限/下限以確保您的設(shè)計(jì)正常運(yùn)行。
模擬相關(guān)現(xiàn)象并轉(zhuǎn)換到頻域。進(jìn)行傅立葉變換會(huì)將您的數(shù)據(jù)置于頻域中，然后將用于量化您是否達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
為您的設(shè)計(jì)制定一個(gè)品質(zhì)因數(shù)。在進(jìn)行寬帶信號(hào)分析時(shí)，您需要有一些指標(biāo)來(lái)量化您是否在整個(gè)信號(hào)帶寬內(nèi)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。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(shù)值計(jì)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(shè)計(jì)帶狀線的工作。我將這個(gè)品質(zhì)因數(shù)命名為“集成阻抗偏差”(IID)，以努力遵循與在 SI 感知設(shè)計(jì)中使用寬帶設(shè)計(jì)指標(biāo)的其他人相同的軌道。此命名方案類似于 USB 4.0 中使用的命名方案（集成差分串?dāng)_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(jì)算。
示例：集成阻抗偏差
當(dāng)試圖將傳輸線設(shè)計(jì)為目標(biāo)特性阻抗時(shí)，基板中的色散和銅跡線中的粗糙度會(huì)在頻域內(nèi)產(chǎn)生與目標(biāo)阻抗的奇怪偏差。整個(gè)設(shè)計(jì)帶寬中IID的大小告訴我我滿足設(shè)計(jì)的阻抗要求的程度。在下面的定義中，Z T ( f ) 是我的目標(biāo)阻抗，Z ( f ) 是根據(jù)分析模型、模擬或數(shù)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(quán)函數(shù)。這基本上讓我們可以說(shuō)明信號(hào)帶寬的哪些部分對(duì)阻抗匹配最重要。
我喜歡用于高速寬帶信號(hào)分析的示例品質(zhì)因數(shù)。
在上圖中，我們可以看到，給定這個(gè)輸入電流脈沖，粗線和平滑線的 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(cè) y 軸（阻抗的實(shí)部）上的幅度來(lái)解釋；此處的標(biāo)度僅跨越 ~2 歐姆，相比之下，虛數(shù)值的范圍非常?。▋H ~2%）?？紤]到設(shè)計(jì)中增加的粗糙度，兩條線非常匹配；事實(shí)上，這些線的走線寬高比只有 2% 的差異。
上面要注意的另一個(gè)重點(diǎn)是這種比較對(duì)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(shè)置不同的 IID 值。這些類型的比較甚至可以應(yīng)用于固有帶寬受限的信號(hào)（例如，調(diào)頻信號(hào)），然后將考慮有限的相關(guān)帶寬和包含最多功率的信號(hào)部分。
使用寬帶信號(hào)完整性指標(biāo)
如果您正在為您自己的設(shè)計(jì)類別確定寬帶信號(hào)分析指標(biāo)，或者您只需要檢查在寬帶寬上與目標(biāo)值的偏差，您會(huì)發(fā)現(xiàn)上述公式很有用。上面的方程基本上是我設(shè)計(jì)的帶狀線上寬帶信號(hào)電壓與帶狀線上所需信號(hào)之間的均方根誤差。這種差異是由于設(shè)計(jì)阻抗 Z 和目標(biāo)阻抗Z T之間的差異引起的 。
在這里，設(shè)計(jì)目標(biāo)是調(diào)整信號(hào)幾何結(jié)構(gòu)，使IID保持在某個(gè)可接受的水平以下。如果IID太大，則設(shè)計(jì)阻抗和目標(biāo)阻抗之間的差異太大?？梢詫?duì)其他信號(hào)完整性度量（例如，串?dāng)_、損耗、相位響應(yīng)平坦度等）采用類似的方法。
一種策略是使用寬帶信號(hào)完整性指標(biāo)來(lái)開發(fā)“設(shè)計(jì)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(rèn)為對(duì)您的設(shè)計(jì)很重要的相關(guān)信號(hào)完整性指標(biāo)來(lái)確定滿足您的設(shè)計(jì)要求的可接受指標(biāo)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(jì)算或 IBIS 模擬，但它會(huì)幫助您在設(shè)計(jì)中制定一組可接受的信號(hào)完整性指標(biāo)限制。
平衡 IID 和綜合回波損耗 (IRL) 的設(shè)計(jì)空間示例。
根據(jù)優(yōu)化問(wèn)題的定義，您開發(fā)的設(shè)計(jì)空間可能是一個(gè)非常復(fù)雜的多維圖，無(wú)法輕松可視化。試圖平衡兩個(gè)指標(biāo)的最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)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)開發(fā)這些設(shè)計(jì)空間，但最好的策略是使用測(cè)量來(lái)考慮信號(hào)完整性。
使用測(cè)量而不是模擬
某些量，例如由于纖維編織效應(yīng)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(jì)算集成的寬帶信號(hào)指標(biāo)來(lái)量化信號(hào)行為，但您將使用您的測(cè)量而不是模擬。在這里，您可能希望根據(jù)您的數(shù)據(jù)計(jì)算品質(zhì)因數(shù)，然后將其與您的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較。