PCB設(shè)計中信號完整性分析的基礎(chǔ)
PCB設(shè)計中信號完整性分析的基礎(chǔ)可以是基本的。仿真工具非常適合在原理圖和布局設(shè)計過程中計算不同網(wǎng)絡(luò)中信號的行為，但是您仍然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仿真工具可以提供先進(jìn)的功能，但它們根本無法與您可以從測量中獲得的信息進(jìn)行比較。無論您使用哪種方法檢查電路板上的信號完整性（都應(yīng)同時進(jìn)行），可以采取一些重要步驟來分析信號的行為并確定電路板上的問題。
PCB設(shè)計信號完整性分析入門
信號完整性分析從預(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分析電路板上與幾何相關(guān)的信號完整性。在某些時候，您需要將模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果進(jìn)行比較，因此請務(wù)必方便進(jìn)行比較。
PCB設(shè)計布局前分析
這部分實際上是關(guān)于電路設(shè)計和組件選擇的。有三項重要的分析可為您提供有關(guān)董事會行為的大量信息。
暫時行為。瞬態(tài)響應(yīng)也可以使用瞬態(tài)分析在時域中建模，或者您可以根據(jù)零極點分析確定瞬態(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。您可以從時域中的反射系數(shù)確定S參數(shù)。您可以從S參數(shù)計算網(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）對噪聲的響應(yīng)與對預(yù)期信號的響應(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，因為低電平噪聲可能會比所需信號遭受更多或更少的跨阻。除此之外，不同的噪聲源可能會跨越整個頻域（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。檢查信號源上的噪聲如何通過電路傳播可以幫助您嘗試不同的步驟來消除噪聲。
PCB設(shè)計布局后分析
這部分實際上是關(guān)于檢查電路板上的寄生蟲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。串?dāng)_是許多設(shè)計師的禍根，它來自電感和電容耦合。如果要檢查串?dāng)_對受害者和攻擊者走線的影響，則只有當(dāng)兩者相鄰時才會發(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磁場相互耦合。
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）是否會降低接收器的信號電平，并導(dǎo)致數(shù)字信號產(chǎn)生階梯式響應(yīng)。使用模擬信號時，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，從而使您可以分別檢查每個波的行為。然后，您可以確定反射級別，并查看信號級別PCB設(shè)計是否滿足您的信令要求。
您檢查過的所有內(nèi)容都經(jīng)過布局前檢查！這里的目的是要檢查寄生效應(yīng)不會顯著改變電路板上信號的行為。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。較小的阻抗失配會導(dǎo)致強(qiáng)烈反射，從而在數(shù)字信號中產(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)生過大的過沖，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，同時增加電路中的阻尼，從而減小振鈴幅度。另一種是通過增加一個串聯(lián)電阻來增加阻尼。
PCB設(shè)計信號完整性分析中的眼圖
眼圖測量是數(shù)字系統(tǒng)（尤其是千兆位網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和調(diào)幅信號）中使用的最基本的測量之一。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的。這種特定的度量可以幫助您從單個度量中量化大量信息。您可以直接從眼圖測量中提取以下信息：
定時抖動。當(dāng)您查看切換期間的信號交叉點時，可以直接從眼圖中看到上升/下降啟動的變化。
信號電平變化。您將能夠輕松查看信號電平如何變化。通常，這是定時抖動和其他隨機(jī)噪聲的某種功能。
符號間干擾（ISI）。這在多級信令（例如PAM-4）中很重要，從眼圖看很明顯。不過，您應(yīng)該對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些基本分析，以量化ISI并對照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查。這將幫助您確定應(yīng)應(yīng)用的均衡級別。
平均上升/下降時間。這與信號電平之間的抖動和平均過渡有關(guān)。您可以使用平均90％信號電平時間與平均10％信號電平時間之間的時間輕松計算出該時間。
符號持續(xù)時間。這是兩次抖動測量之間在信號電平之間的中點之間的時間。
如果我們假設(shè)PCB設(shè)計電路中的多個噪聲源是不相關(guān)的（即獨立的），并且每個噪聲源的自相關(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令，則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其他一些測量值。
從這里，我們可以通過計算信號電平超出所需噪聲容限的次數(shù)來量化誤碼率。由于您通常使用數(shù)十億比特，因此更容易計算每個信號電平的信號電平達(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（請參見上面的直方圖），因此可以使用誤差函數(shù)輕松計算信號達(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算器可以很容易地為您計算這種累積概率。
將實際誤碼率與所需誤碼率進(jìn)行比較時，可以確定是否需要前向糾錯技術(shù)。使用多級信令，您還可以確定是否需要某種均衡方案。動態(tài)反饋均衡是一種已用于PAM-4的400G的方案，盡管其他均衡方案對于減少不同情況下的ISI更好。
PCB設(shè)計信號完整性分析入門
信號完整性分析從預(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分析電路板上與幾何相關(guān)的信號完整性。在某些時候，您需要將模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果進(jìn)行比較，因此請務(wù)必方便進(jìn)行比較。
PCB設(shè)計布局前分析
這部分實際上是關(guān)于電路設(shè)計和組件選擇的。有三項重要的分析可為您提供有關(guān)董事會行為的大量信息。
暫時行為。瞬態(tài)響應(yīng)也可以使用瞬態(tài)分析在時域中建模，或者您可以根據(jù)零極點分析確定瞬態(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。您可以從時域中的反射系數(shù)確定S參數(shù)。您可以從S參數(shù)計算網(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）對噪聲的響應(yīng)與對預(yù)期信號的響應(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，因為低電平噪聲可能會比所需信號遭受更多或更少的跨阻。除此之外，不同的噪聲源可能會跨越整個頻域（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。檢查信號源上的噪聲如何通過電路傳播可以幫助您嘗試不同的步驟來消除噪聲。
PCB設(shè)計布局后分析
這部分實際上是關(guān)于檢查電路板上的寄生蟲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。串?dāng)_是許多設(shè)計師的禍根，它來自電感和電容耦合。如果要檢查串?dāng)_對受害者和攻擊者走線的影響，則只有當(dāng)兩者相鄰時才會發(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磁場相互耦合。
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）是否會降低接收器的信號電平，并導(dǎo)致數(shù)字信號產(chǎn)生階梯式響應(yīng)。使用模擬信號時，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，從而使您可以分別檢查每個波的行為。然后，您可以確定反射級別，并查看信號級別PCB設(shè)計是否滿足您的信令要求。
您檢查過的所有內(nèi)容都經(jīng)過布局前檢查！這里的目的是要檢查寄生效應(yīng)不會顯著改變電路板上信號的行為。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。較小的阻抗失配會導(dǎo)致強(qiáng)烈反射，從而在數(shù)字信號中產(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)生過大的過沖，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，同時增加電路中的阻尼，從而減小振鈴幅度。另一種是通過增加一個串聯(lián)電阻來增加阻尼。
PCB設(shè)計信號完整性分析中的眼圖
眼圖測量是數(shù)字系統(tǒng)（尤其是千兆位網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和調(diào)幅信號）中使用的最基本的測量之一。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的。這種特定的度量可以幫助您從單個度量中量化大量信息。您可以直接從眼圖測量中提取以下信息：
定時抖動。當(dāng)您查看切換期間的信號交叉點時，可以直接從眼圖中看到上升/下降啟動的變化。
信號電平變化。您將能夠輕松查看信號電平如何變化。通常，這是定時抖動和其他隨機(jī)噪聲的某種功能。
符號間干擾（ISI）。這在多級信令（例如PAM-4）中很重要，從眼圖看很明顯。不過，您應(yīng)該對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些基本分析，以量化ISI并對照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查。這將幫助您確定應(yīng)應(yīng)用的均衡級別。
平均上升/下降時間。這與信號電平之間的抖動和平均過渡有關(guān)。您可以使用平均90％信號電平時間與平均10％信號電平時間之間的時間輕松計算出該時間。
符號持續(xù)時間。這是兩次抖動測量之間在信號電平之間的中點之間的時間。
如果我們假設(shè)PCB設(shè)計電路中的多個噪聲源是不相關(guān)的（即獨立的），并且每個噪聲源的自相關(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令，則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其他一些測量值。
從這里，我們可以通過計算信號電平超出所需噪聲容限的次數(shù)來量化誤碼率。由于您通常使用數(shù)十億比特，因此更容易計算每個信號電平的信號電平達(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（請參見上面的直方圖），因此可以使用誤差函數(shù)輕松計算信號達(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算器可以很容易地為您計算這種累積概率。
將實際誤碼率與所需誤碼率進(jìn)行比較時，可以確定是否需要前向糾錯技術(shù)。使用多級信令，您還可以確定是否需要某種均衡方案。動態(tài)反饋均衡是一種已用于PAM-4的400G的方案，盡管其他均衡方案對于減少不同情況下的ISI更好。
標(biāo)簽：PCB設(shè)計
