PCB設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性分析的基礎(chǔ)
PCB設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性分析的基礎(chǔ)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)過(guò)程中計(jì)算不同網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)的行為，但是您仍然需要采取一些步驟來(lái)解釋結(jié)果。盡管某些信號(hào)完整性和EM仿真工具可以提供先進(jìn)的功能，但它們根本無(wú)法與您可以從測(cè)量中獲得的信息進(jìn)行比較。無(wú)論您使用哪種方法檢查電路板上的信號(hào)完整性（都應(yīng)同時(shí)進(jìn)行），可以采取一些重要步驟來(lái)分析信號(hào)的行為并確定電路板上的問題。
PCB設(shè)計(jì)信號(hào)完整性分析入門
信號(hào)完整性分析從預(yù)布局階段的仿真開始。建立布局后，您可以使用一些重要的布局后仿真來(lái)分析電路板上與幾何相關(guān)的信號(hào)完整性。在某些時(shí)候，您需要將模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，因此請(qǐng)務(wù)必方便進(jìn)行比較。
PCB設(shè)計(jì)布局前分析
這部分實(shí)際上是關(guān)于電路設(shè)計(jì)和組件選擇的。有三項(xiàng)重要的分析可為您提供有關(guān)董事會(huì)行為的大量信息。
暫時(shí)行為。瞬態(tài)響應(yīng)也可以使用瞬態(tài)分析在時(shí)域中建模，或者您可以根據(jù)零極點(diǎn)分析確定瞬態(tài)的行為。這將顯示由于振鈴而引起的上沖/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)。板上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)表示。您可以從時(shí)域中的反射系數(shù)確定S參數(shù)。您可以從S參數(shù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，反之亦然。這是一本很好的指南，顯示了所涉及的所有數(shù)學(xué)。
噪聲分析。表現(xiàn)出整流和飽和的組件（二極管，晶體管等）對(duì)噪聲的響應(yīng)與對(duì)預(yù)期信號(hào)的響應(yīng)將有所不同。這有助于在存在噪聲的情況下進(jìn)行濾波器和放大器的設(shè)計(jì)，因?yàn)榈碗娖皆肼暱赡軙?huì)比所需信號(hào)遭受更多或更少的跨阻。除此之外，不同的噪聲源可能會(huì)跨越整個(gè)頻域（例如1 / f噪聲，散粒噪聲和Johnson-Nyquist噪聲），并且解決某些電路中存在的噪聲可能是具有挑戰(zhàn)性的。檢查信號(hào)源上的噪聲如何通過(guò)電路傳播可以幫助您嘗試不同的步驟來(lái)消除噪聲。
PCB設(shè)計(jì)布局后分析
這部分實(shí)際上是關(guān)于檢查電路板上的寄生蟲如何影響信號(hào)完整性。由于寄生信號(hào)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(hào)完整性問題：
相聲。串?dāng)_是許多設(shè)計(jì)師的禍根，它來(lái)自電感和電容耦合。如果要檢查串?dāng)_對(duì)受害者和攻擊者走線的影響，則只有當(dāng)兩者相鄰時(shí)才會(huì)發(fā)生電容耦合。感應(yīng)串?dāng)_不受范圍限制，并且板上的所有走線都可以通過(guò)磁場(chǎng)相互耦合。
傳輸線行為。雖然可以在預(yù)布局階段使用傳輸線模型檢查信號(hào)跡線，但最好直接從布局中進(jìn)行。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）是否會(huì)降低接收器的信號(hào)電平，并導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生階梯式響應(yīng)。使用模擬信號(hào)時(shí)，這可能會(huì)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(hào)完整性模擬器可以將入射波和反射波分開，從而使您可以分別檢查每個(gè)波的行為。然后，您可以確定反射級(jí)別，并查看信號(hào)級(jí)別PCB設(shè)計(jì)是否滿足您的信令要求。
您檢查過(guò)的所有內(nèi)容都經(jīng)過(guò)布局前檢查！這里的目的是要檢查寄生效應(yīng)不會(huì)顯著改變電路板上信號(hào)的行為。如果多條走線失敗，則需要修改布局。首先要開始的是堆棧和走線幾何。
您應(yīng)該采取的確切步驟取決于發(fā)生了什么失敗。較小的阻抗失配會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈反射，從而在數(shù)字信號(hào)中產(chǎn)生階梯式響應(yīng)，因此必須減少阻抗失配（理想情況下應(yīng)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，則將寄生電感和電容減小相同的系數(shù)將使您的走線特性阻抗保持恒定，同時(shí)增加電路中的阻尼，從而減小振鈴幅度。另一種是通過(guò)增加一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)增加阻尼。
PCB設(shè)計(jì)信號(hào)完整性分析中的眼圖
眼圖測(cè)量是數(shù)字系統(tǒng)（尤其是千兆位網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和調(diào)幅信號(hào)）中使用的最基本的測(cè)量之一。在數(shù)字通道中模擬誤碼率需要考慮電路板上的噪聲源，而噪聲源并非總是先驗(yàn)的。這種特定的度量可以幫助您從單個(gè)度量中量化大量信息。您可以直接從眼圖測(cè)量中提取以下信息：
定時(shí)抖動(dòng)。當(dāng)您查看切換期間的信號(hào)交叉點(diǎn)時(shí)，可以直接從眼圖中看到上升/下降啟動(dòng)的變化。
信號(hào)電平變化。您將能夠輕松查看信號(hào)電平如何變化。通常，這是定時(shí)抖動(dòng)和其他隨機(jī)噪聲的某種功能。
符號(hào)間干擾（ISI）。這在多級(jí)信令（例如PAM-4）中很重要，從眼圖看很明顯。不過(guò)，您應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些基本分析，以量化ISI并對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查。這將幫助您確定應(yīng)應(yīng)用的均衡級(jí)別。
平均上升/下降時(shí)間。這與信號(hào)電平之間的抖動(dòng)和平均過(guò)渡有關(guān)。您可以使用平均90％信號(hào)電平時(shí)間與平均10％信號(hào)電平時(shí)間之間的時(shí)間輕松計(jì)算出該時(shí)間。
符號(hào)持續(xù)時(shí)間。這是兩次抖動(dòng)測(cè)量之間在信號(hào)電平之間的中點(diǎn)之間的時(shí)間。
如果我們假設(shè)PCB設(shè)計(jì)電路中的多個(gè)噪聲源是不相關(guān)的（即獨(dú)立的），并且每個(gè)噪聲源的自相關(guān)為零（Johnson-Nyquist噪聲和1 / f噪聲就是這種情況），那么我們從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(lái)提取平均信號(hào)電平和時(shí)序抖
動(dòng)。如果您正在使用多電平信令，則可以在每個(gè)電平上應(yīng)用平均信號(hào)電平測(cè)量。您還可以從眼圖中提取其他一些測(cè)量值。
從這里，我們可以通過(guò)計(jì)算信號(hào)電平超出所需噪聲容限的次數(shù)來(lái)量化誤碼率。由于您通常使用數(shù)十億比特，因此更容易計(jì)算每個(gè)信號(hào)電平的信號(hào)電平達(dá)到未定義區(qū)域閾值的累積概率。由于我們通常使用高斯分布（請(qǐng)參見上面的直方圖），因此可以使用誤差函數(shù)輕松計(jì)算信號(hào)達(dá)到未定義的上限或下限閾值的概率。有很多開源程序和在線計(jì)算器可以很容易地為您計(jì)算這種累積概率。
將實(shí)際誤碼率與所需誤碼率進(jìn)行比較時(shí)，可以確定是否需要前向糾錯(cuò)技術(shù)。使用多級(jí)信令，您還可以確定是否需要某種均衡方案。動(dòng)態(tài)反饋均衡是一種已用于PAM-4的400G的方案，盡管其他均衡方案對(duì)于減少不同情況下的ISI更好。
PCB設(shè)計(jì)信號(hào)完整性分析入門
信號(hào)完整性分析從預(yù)布局階段的仿真開始。建立布局后，您可以使用一些重要的布局后仿真來(lái)分析電路板上與幾何相關(guān)的信號(hào)完整性。在某些時(shí)候，您需要將模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，因此請(qǐng)務(wù)必方便進(jìn)行比較。
PCB設(shè)計(jì)布局前分析
這部分實(shí)際上是關(guān)于電路設(shè)計(jì)和組件選擇的。有三項(xiàng)重要的分析可為您提供有關(guān)董事會(huì)行為的大量信息。
暫時(shí)行為。瞬態(tài)響應(yīng)也可以使用瞬態(tài)分析在時(shí)域中建模，或者您可以根據(jù)零極點(diǎn)分析確定瞬態(tài)的行為。這將顯示由于振鈴而引起的上沖/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)。板上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)表示。您可以從時(shí)域中的反射系數(shù)確定S參數(shù)。您可以從S參數(shù)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，反之亦然。這是一本很好的指南，顯示了所涉及的所有數(shù)學(xué)。
噪聲分析。表現(xiàn)出整流和飽和的組件（二極管，晶體管等）對(duì)噪聲的響應(yīng)與對(duì)預(yù)期信號(hào)的響應(yīng)將有所不同。這有助于在存在噪聲的情況下進(jìn)行濾波器和放大器的設(shè)計(jì)，因?yàn)榈碗娖皆肼暱赡軙?huì)比所需信號(hào)遭受更多或更少的跨阻。除此之外，不同的噪聲源可能會(huì)跨越整個(gè)頻域（例如1 / f噪聲，散粒噪聲和Johnson-Nyquist噪聲），并且解決某些電路中存在的噪聲可能是具有挑戰(zhàn)性的。檢查信號(hào)源上的噪聲如何通過(guò)電路傳播可以幫助您嘗試不同的步驟來(lái)消除噪聲。
PCB設(shè)計(jì)布局后分析
這部分實(shí)際上是關(guān)于檢查電路板上的寄生蟲如何影響信號(hào)完整性。由于寄生信號(hào)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(hào)完整性問題：
相聲。串?dāng)_是許多設(shè)計(jì)師的禍根，它來(lái)自電感和電容耦合。如果要檢查串?dāng)_對(duì)受害者和攻擊者走線的影響，則只有當(dāng)兩者相鄰時(shí)才會(huì)發(fā)生電容耦合。感應(yīng)串?dāng)_不受范圍限制，并且板上的所有走線都可以通過(guò)磁場(chǎng)相互耦合。
傳輸線行為。雖然可以在預(yù)布局階段使用傳輸線模型檢查信號(hào)跡線，但最好直接從布局中進(jìn)行。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）是否會(huì)降低接收器的信號(hào)電平，并導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生階梯式響應(yīng)。使用模擬信號(hào)時(shí)，這可能會(huì)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(hào)完整性模擬器可以將入射波和反射波分開，從而使您可以分別檢查每個(gè)波的行為。然后，您可以確定反射級(jí)別，并查看信號(hào)級(jí)別PCB設(shè)計(jì)是否滿足您的信令要求。
您檢查過(guò)的所有內(nèi)容都經(jīng)過(guò)布局前檢查！這里的目的是要檢查寄生效應(yīng)不會(huì)顯著改變電路板上信號(hào)的行為。如果多條走線失敗，則需要修改布局。首先要開始的是堆棧和走線幾何。
您應(yīng)該采取的確切步驟取決于發(fā)生了什么失敗。較小的阻抗失配會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈反射，從而在數(shù)字信號(hào)中產(chǎn)生階梯式響應(yīng)，因此必須減少阻抗失配（理想情況下應(yīng)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，則將寄生電感和電容減小相同的系數(shù)將使您的走線特性阻抗保持恒定，同時(shí)增加電路中的阻尼，從而減小振鈴幅度。另一種是通過(guò)增加一個(gè)串聯(lián)電阻來(lái)增加阻尼。
PCB設(shè)計(jì)信號(hào)完整性分析中的眼圖
眼圖測(cè)量是數(shù)字系統(tǒng)（尤其是千兆位網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和調(diào)幅信號(hào)）中使用的最基本的測(cè)量之一。在數(shù)字通道中模擬誤碼率需要考慮電路板上的噪聲源，而噪聲源并非總是先驗(yàn)的。這種特定的度量可以幫助您從單個(gè)度量中量化大量信息。您可以直接從眼圖測(cè)量中提取以下信息：
定時(shí)抖動(dòng)。當(dāng)您查看切換期間的信號(hào)交叉點(diǎn)時(shí)，可以直接從眼圖中看到上升/下降啟動(dòng)的變化。
信號(hào)電平變化。您將能夠輕松查看信號(hào)電平如何變化。通常，這是定時(shí)抖動(dòng)和其他隨機(jī)噪聲的某種功能。
符號(hào)間干擾（ISI）。這在多級(jí)信令（例如PAM-4）中很重要，從眼圖看很明顯。不過(guò)，您應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一些基本分析，以量化ISI并對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查。這將幫助您確定應(yīng)應(yīng)用的均衡級(jí)別。
平均上升/下降時(shí)間。這與信號(hào)電平之間的抖動(dòng)和平均過(guò)渡有關(guān)。您可以使用平均90％信號(hào)電平時(shí)間與平均10％信號(hào)電平時(shí)間之間的時(shí)間輕松計(jì)算出該時(shí)間。
符號(hào)持續(xù)時(shí)間。這是兩次抖動(dòng)測(cè)量之間在信號(hào)電平之間的中點(diǎn)之間的時(shí)間。
如果我們假設(shè)PCB設(shè)計(jì)電路中的多個(gè)噪聲源是不相關(guān)的（即獨(dú)立的），并且每個(gè)噪聲源的自相關(guān)為零（Johnson-Nyquist噪聲和1 / f噪聲就是這種情況），那么我們從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(lái)提取平均信號(hào)電平和時(shí)序抖
動(dòng)。如果您正在使用多電平信令，則可以在每個(gè)電平上應(yīng)用平均信號(hào)電平測(cè)量。您還可以從眼圖中提取其他一些測(cè)量值。
從這里，我們可以通過(guò)計(jì)算信號(hào)電平超出所需噪聲容限的次數(shù)來(lái)量化誤碼率。由于您通常使用數(shù)十億比特，因此更容易計(jì)算每個(gè)信號(hào)電平的信號(hào)電平達(dá)到未定義區(qū)域閾值的累積概率。由于我們通常使用高斯分布（請(qǐng)參見上面的直方圖），因此可以使用誤差函數(shù)輕松計(jì)算信號(hào)達(dá)到未定義的上限或下限閾值的概率。有很多開源程序和在線計(jì)算器可以很容易地為您計(jì)算這種累積概率。
將實(shí)際誤碼率與所需誤碼率進(jìn)行比較時(shí)，可以確定是否需要前向糾錯(cuò)技術(shù)。使用多級(jí)信令，您還可以確定是否需要某種均衡方案。動(dòng)態(tài)反饋均衡是一種已用于PAM-4的400G的方案，盡管其他均衡方案對(duì)于減少不同情況下的ISI更好。
標(biāo)簽：PCB設(shè)計(jì)
