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浅谈信号完整性之对称的重要性

作者:周敏杰(安费诺电子装配(厦门)有限公司,厦门 361009) 时间:2023-04-03 来源:电子产品世界 收藏
编者按:随着服务器的速率越来越快,高速信号的要求也越来越高,以信号完整性来看,对称性要求变得十分重要,这意味着设计者尤其是PCBLAYOUT工程师要特别小心布线,一不小心可能会对整个链路的信号完整性造成毁灭性打击,重新打样事小,耽误项目进度那就完全得不偿失了。这里着重介绍高速信号返回地的对称性设计,返回信号对高速信号来说,就是个麻烦制造者。如果设计的返回地与返回信号路线重合,那就会表现非常好的信号完整性性能,反之,信号完整性就会出现问题,EMI问题、串扰问题、共模问题接踵而至。

开发过USB4 连接器的同仁一定会发现个问题,按照TPYEC GEN2 的方式去开发无法线性到10GHz,最后在4 个电源pin 每个增加10 nF 电容才满足要求;设计高速PCB 时,差分对旁边的地线断开,那么测试出来的共模就会很大;设计连接器的转接板时,如果有一高速旁边的地线PIN 不直接接到,那么信号测试就无法通过。

本文引用地址://www.cazqn.com/article/202304/445257.htm

本文基于以上这些情况,逐个讨论,突出高速信号返回地的设计的重要性,给信号工程师以及PCB 设计工程师提供下参考。

1 回流路径(返回地)

电路信号基本可分两类,低速信号和高速信号,任何信号都会有对应的回流路径,低速信号对应的是低频回路,高速信号对应的是高频回路。这两者的回流路径有巨大的差异,低速信号的低频回路可以沿着实际的连接线返回,而高速信号的高频回路则完全不同,它会沿着的高速信号传输的路径,在附近的平面或者地线形成自己的回流路径,不以实际的连接线返回。[1] 这时候,为了保证信号传输的,就要设计出与回流路径重合的地平面,这里本文将此地平面称为返回地,如图1。

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图1 高频回路与低频回家的返回路径

2 PCB一高速差分信号的一侧返回地不连续与连续实测结果对比

实际项目中碰到一案例,即第一排PCB 最左侧的1对差分线的一侧返回地不直接接地,而是通过焊盘焊接线缆后间接接地,类似跳线做法接地(如图3 所示),与之对照的下方PCB 的最左侧的那对差分线,则是做成两侧对称的设计,两个PCB 焊接同样的高速线缆,对配同样的板端连接器,结果发现返回地不对称设计的高速线缆近端串扰发生异常,在频率10 GHz 以内有明显的多个凸起的干扰信号出现,对比下面对称设计的线缆,整个频段无异常杂信出现;且除了近端串扰差异大,差模转共模信号差异也特别大,在高频回路中,共模信号属干扰信号,作为设计者,要尽可能的阻止共模信号过大,差模转共模更是要抑制住。[2-3]从实际的测试结果中,可发现返回地的不对称设计是造成共模信号的来源之一,而的返回地设计刚好是解决差模转共模的有效方法。

总结对比结果,不返回地的设计会导致串扰大,共模抑制差,设计中返回地的设计要尽可能做到左右对称,切记不可为了兼容低频信号而放弃对称原则,这将会给高速链路带来极大的坏的影响,甚至可能就因此无法通过系统测试。

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3 高速线缆返回地线断开

现特意找到某案例(如图2 所示),在焊接制作中,将一侧的地线断掉,从低频视角来看,地线虽然断开,但是可通过PCB 的过孔,高速线缆的铝箔可以将该地线间接连接起来,所以用万用表或者开短路测试仪器都是无法测试出开路情况的;然而从高频视角来看,这差异就大了,高速回流信号走到断线的地方无法通过时,就会通过绕路或者辐射来形成新的回流路径,这样差分对的一根信号线有顺畅的回路,而另一根信号线却没有,不对称凸显,共模噪声产生。从实测结果也可以看到,返回地断开,差模转共模噪声会明显高于其他正常信号。这一结果,进一步佐证返回地对称性设计的重要,万万不可以低频信号回路的视角来判定高频信号回路。

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4 仿真验证

为了验证理论上的可行性,特意建了两个PCB 模型进行模拟仿真,左侧PCB 最边上的地线不直接接地,二是通过末端高速线缆的铝箔来达成接地,而右边则是做成对称性设计,直接接地。为了同时验证插入损耗、近端串扰、差模转共模,特设置8 个端口,选择PCB上下对应的两组差分线对。其他诸如仿真的网格数、PCB 材质、导体特征、端口类型等都设置成一样。如图4 所示,(左)间接地,(右)直接地。仿真频率宽度设置成40 GHz,这里将红色虚线结果来表达左侧模型间接地的仿真结果,将蓝色实线结果来表达右侧模型直接地的仿真结果。

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图4 仿真模型以及仿真结果

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图5 Type-C板端连接器标准接口定义

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图6 连接电容模型与仿真结果对比

5 结束语

本文通过案例的方式,在信号完整性性能方面,将返回地不对称与返回地对称进行对比,最明显的差异就是近端串扰和差模转共模的噪声大;再通过模拟仿真的方式,将这两种模型进行对比,同时观察插入损耗、近端串扰和差模转共模,仿真的结果与实测一致。这给我们在高速链路设计中,要以对称性为原则,让返回地尽可能设计成直接地的情况,如果实在条件不允许,则可以考虑添加合适的电容来解决跨层问题,缓解非对称问题。本文结论可给信号完整性工程师以及PCB 设计工程师对高速信号线的处理方式提供1个设计上的参考,不要以常规电路的方式来看来高速电路,要以高频回路的理念来处理高速链路可能存在的风险,如本文介绍的返回地线断开或者不直接接地,用万用表去量测,他们都是导通的,但涉及到高频回路,回流路径就完全不一样了,从而产生出信号完整性方面的一系列问题。总之,高速电路要讲究对称,特别是返回地的处理。

参考文献:

[1] 周敏杰.PCIe 5.0 Riser Card线缆方案PCBA设计[J].中国科技纵横,2022(9):55,70.

[2] 谢佳明,金建辉,谢鹤龄,等.功率管高频驱动回路参数优化研究[J].自动化仪表,2021,42(10):64-73.

[3] 赵岩,段雄英,廖敏夫,等.基于高频振荡回路的激光触发真空开关开断特性[J].电工技术学报,2016,31(21):183-187.

(本文来源于威廉希尔 官网app 杂志2023年3月期)



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