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淺談信號完整性之對稱的重要性

作者:周敏杰(安費諾電子裝配(廈門)有限公司,廈門 361009) 時間:2023-04-03 來源:電子產品世界 收藏
編者按:隨著服務器的速率越來越快,高速信號的要求也越來越高,以信號完整性來看,對稱性要求變得十分重要,這意味著設計者尤其是PCBLAYOUT工程師要特別小心布線,一不小心可能會對整個鏈路的信號完整性造成毀滅性打擊,重新打樣事小,耽誤項目進度那就完全得不償失了。這里著重介紹高速信號返回地的對稱性設計,返回信號對高速信號來說,就是個麻煩制造者。如果設計的返回地與返回信號路線重合,那就會表現非常好的信號完整性性能,反之,信號完整性就會出現問題,EMI問題、串擾問題、共模問題接踵而至。

開發過USB4 連接器的同仁一定會發現個問題,按照TPYEC GEN2 的方式去開發無法線性到10GHz,最后在4 個電源pin 每個增加10 nF 電容才滿足要求;設計高速PCB 時,差分對旁邊的地線斷開,那么測試出來的共模就會很大;設計連接器的轉接板時,如果有一高速旁邊的地線PIN 不直接接到,那么信號測試就無法通過。

本文引用地址:http://www.fsbox.com.cn/article/202304/445257.htm

本文基于以上這些情況,逐個討論,突出高速信號返回地的設計的重要性,給信號工程師以及PCB 設計工程師提供下參考。

1 回流路徑(返回地)

電路信號基本可分兩類,低速信號和高速信號,任何信號都會有對應的回流路徑,低速信號對應的是低頻回路,高速信號對應的是高頻回路。這兩者的回流路徑有巨大的差異,低速信號的低頻回路可以沿著實際的連接線返回,而高速信號的高頻回路則完全不同,它會沿著的高速信號傳輸的路徑,在附近的平面或者地線形成自己的回流路徑,不以實際的連接線返回。[1] 這時候,為了保證信號傳輸的,就要設計出與回流路徑重合的地平面,這里本文將此地平面稱為返回地,如圖1。

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圖1 高頻回路與低頻回家的返回路徑

2 PCB一高速差分信號的一側返回地不連續與連續實測結果對比

實際項目中碰到一案例,即第一排PCB 最左側的1對差分線的一側返回地不直接接地,而是通過焊盤焊接線纜后間接接地,類似跳線做法接地(如圖3 所示),與之對照的下方PCB 的最左側的那對差分線,則是做成兩側對稱的設計,兩個PCB 焊接同樣的高速線纜,對配同樣的板端連接器,結果發現返回地不對稱設計的高速線纜近端串擾發生異常,在頻率10 GHz 以內有明顯的多個凸起的干擾信號出現,對比下面對稱設計的線纜,整個頻段無異常雜信出現;且除了近端串擾差異大,差模轉共模信號差異也特別大,在高頻回路中,共模信號屬干擾信號,作為設計者,要盡可能的阻止共模信號過大,差模轉共模更是要抑制住。[2-3]從實際的測試結果中,可發現返回地的不對稱設計是造成共模信號的來源之一,而的返回地設計剛好是解決差模轉共模的有效方法。

總結對比結果,不返回地的設計會導致串擾大,共模抑制差,設計中返回地的設計要盡可能做到左右對稱,切記不可為了兼容低頻信號而放棄對稱原則,這將會給高速鏈路帶來極大的壞的影響,甚至可能就因此無法通過系統測試。

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3 高速線纜返回地線斷開

現特意找到某案例(如圖2 所示),在焊接制作中,將一側的地線斷掉,從低頻視角來看,地線雖然斷開,但是可通過PCB 的過孔,高速線纜的鋁箔可以將該地線間接連接起來,所以用萬用表或者開短路測試儀器都是無法測試出開路情況的;然而從高頻視角來看,這差異就大了,高速回流信號走到斷線的地方無法通過時,就會通過繞路或者輻射來形成新的回流路徑,這樣差分對的一根信號線有順暢的回路,而另一根信號線卻沒有,不對稱凸顯,共模噪聲產生。從實測結果也可以看到,返回地斷開,差模轉共模噪聲會明顯高于其他正常信號。這一結果,進一步佐證返回地對稱性設計的重要,萬萬不可以低頻信號回路的視角來判定高頻信號回路。

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4 仿真驗證

為了驗證理論上的可行性,特意建了兩個PCB 模型進行模擬仿真,左側PCB 最邊上的地線不直接接地,二是通過末端高速線纜的鋁箔來達成接地,而右邊則是做成對稱性設計,直接接地。為了同時驗證插入損耗、近端串擾、差模轉共模,特設置8 個端口,選擇PCB上下對應的兩組差分線對。其他諸如仿真的網格數、PCB 材質、導體特征、端口類型等都設置成一樣。如圖4 所示,(左)間接地,(右)直接地。仿真頻率寬度設置成40 GHz,這里將紅色虛線結果來表達左側模型間接地的仿真結果,將藍色實線結果來表達右側模型直接地的仿真結果。

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圖4 仿真模型以及仿真結果

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圖5 Type-C板端連接器標準接口定義

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圖6 連接電容模型與仿真結果對比

5 結束語

本文通過案例的方式,在信號完整性性能方面,將返回地不對稱與返回地對稱進行對比,最明顯的差異就是近端串擾和差模轉共模的噪聲大;再通過模擬仿真的方式,將這兩種模型進行對比,同時觀察插入損耗、近端串擾和差模轉共模,仿真的結果與實測一致。這給我們在高速鏈路設計中,要以對稱性為原則,讓返回地盡可能設計成直接地的情況,如果實在條件不允許,則可以考慮添加合適的電容來解決跨層問題,緩解非對稱問題。本文結論可給信號完整性工程師以及PCB 設計工程師對高速信號線的處理方式提供1個設計上的參考,不要以常規電路的方式來看來高速電路,要以高頻回路的理念來處理高速鏈路可能存在的風險,如本文介紹的返回地線斷開或者不直接接地,用萬用表去量測,他們都是導通的,但涉及到高頻回路,回流路徑就完全不一樣了,從而產生出信號完整性方面的一系列問題??傊?,高速電路要講究對稱,特別是返回地的處理。

參考文獻:

[1] 周敏杰.PCIe 5.0 Riser Card線纜方案PCBA設計[J].中國科技縱橫,2022(9):55,70.

[2] 謝佳明,金建輝,謝鶴齡,等.功率管高頻驅動回路參數優化研究[J].自動化儀表,2021,42(10):64-73.

[3] 趙巖,段雄英,廖敏夫,等.基于高頻振蕩回路的激光觸發真空開關開斷特性[J].電工技術學報,2016,31(21):183-187.

(本文來源于《電子產品世界》雜志2023年3月期)



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