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PCB 中信號完整性分析的基礎(chǔ)知識
PCB 中信號完整性分析的基礎(chǔ)知識
PCB 中信號完整性分析的基礎(chǔ)知識可以是基本的。仿真工具非常適合在原理圖和布局設(shè)計(jì)期間計(jì)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解釋結(jié)果。盡管某些信號完整性和 EM 仿真工具非常先進(jìn)，但它們根本無法與您從測量中收集到的信息進(jìn)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(yīng)該執(zhí)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(guān)的信號完整性。在某些時候，您需要將您的模擬結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行比較，因此請將您的結(jié)果放在手邊以便進(jìn)行比較。
預(yù)布局分析
這部分實(shí)際上是關(guān)于電路設(shè)計(jì)和元件選擇。有三個重要的分析可以告訴您有關(guān)董事會行為的大量信息。
瞬態(tài)行為。瞬態(tài)響應(yīng)也可以使用瞬態(tài)分析在時域中建模，或者您可以通過零極點(diǎn)分析確定瞬態(tài)的行為。這將顯示由于振鈴引起的過沖/下沖，然后可以根據(jù)您的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行檢查。
S 參數(shù)和傳遞函數(shù)。電路板中的某些功能塊可以建模為多端口網(wǎng)絡(luò)，這意味著它們的線性行為可以用特定頻率下的 S 參數(shù)來描述。您可以根據(jù)時域中的反射系數(shù)確定 S 參數(shù)。您可以根據(jù) S 參數(shù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，反之亦然。這是一個很好的指南，顯示了所有涉及的數(shù)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(yīng)與對預(yù)期信號的響應(yīng)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(shè)計(jì)，因?yàn)榈碗娖皆肼暱赡軙龅奖人栊盘柛嗷蚋俚目缱?。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(zhàn)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(shù)與 2 端口網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)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(shù)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(shù)，因此您需要檢查以下與幾何形狀相關(guān)的信號完整性問題：
相聲。許多設(shè)計(jì)師的禍根是，串?dāng)_源于電感和電容耦合。如果您正在檢查串?dāng)_對受害者和攻擊者走線的影響，只有當(dāng)兩者相鄰時才會發(fā)生電容耦合。電感串?dāng)_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(zhí)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(dǎo)致數(shù)字信號的階梯響應(yīng)。對于模擬信號，這可能會更加棘手，因?yàn)槟趯ふ揖€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(dú)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(nèi)容！這里的重點(diǎn)是檢查寄生效應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致強(qiáng)烈的反射，在數(shù)字信號中產(chǎn)生階梯響應(yīng)，因此必須減少阻抗失配（理想情況下，它應(yīng)該為零）。振鈴是由寄生電感和電容引起的。如果振鈴產(chǎn)生過大的過沖，那么將寄生電感和電容降低相同的系數(shù)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(lián)電阻來增加阻尼。
信號完整性分析中的眼圖
眼圖測量是數(shù)字系統(tǒng)（尤其是千兆網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和調(diào)幅信號）中使用的最基本的測量之一。模擬數(shù)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(yàn)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(dāng)您查看開關(guān)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(jī)噪聲的某種函數(shù)。
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，您應(yīng)該對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些基本分析，以量化 ISI并根據(jù)您的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查。這將幫助您確定應(yīng)該應(yīng)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(zhuǎn)換有關(guān)。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(jì)算此值。
符號持續(xù)時間。這是在信號電平之間的中點(diǎn)處兩次抖動測量之間的時間。
如果我們假設(shè)電路中的多個噪聲源不相關(guān)（即獨(dú)立），并且每個噪聲源的自相關(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(tǒng)計(jì)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(yīng)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(dǎo)。
0 電平的眼圖和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
從這里，我們可以通過計(jì)算信號電平落在所需噪聲容限之外的次數(shù)來量化誤碼率。由于您通常使用數(shù)十億位，因此更容易計(jì)算信號電平達(dá)到每個信令電平的未定義區(qū)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(shù)輕松計(jì)算信號達(dá)到未定義上限或下限的概率。有很多開源程序和在線計(jì)算器可以很容易地為您計(jì)算這個累積概率。
將實(shí)際誤碼率與所需誤碼率進(jìn)行比較時，您可以確定是否需要前向糾錯技術(shù)。通過多級信令，您還可以確定是否需要某種均衡方案。動態(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。