【導(dǎo)讀】信號(hào)完整性是許多設(shè)計(jì)人員在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中涉及的主要主題之一。信號(hào)完整性涉及數(shù)字信號(hào)波形的質(zhì)量下降和時(shí)序誤差，因?yàn)樾盘?hào)從發(fā)射器傳輸?shù)浇邮掌鲿?huì)通過封裝結(jié)構(gòu)、PCB走線、通孔、柔性電纜和連接器等互連路徑。
當(dāng)今的高速總線設(shè)計(jì)如LpDDR4x、USB 3.2 Gen1/2 (5Gbps/10Gbps)、USB3.2x2 (2x10Gbps)、PCIe和即將到來的USB4.0 (2x20Gbps) 在高頻數(shù)據(jù)從發(fā)送器流向接收器時(shí)會(huì)發(fā)生信號(hào)衰減。本文將概述高速數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)的信號(hào)完整性基礎(chǔ)知識(shí)和集膚效應(yīng)、阻抗匹配、特性阻抗、反射等關(guān)鍵問題。
導(dǎo)讀
隨著硅節(jié)點(diǎn)采用10nm、7nm甚至5nm工藝，這可以在給定的芯片尺寸下實(shí)現(xiàn)高集成度并增加功能。在移動(dòng)應(yīng)用中，趨勢是更高的頻率和更高的數(shù)據(jù)速率，并降低工作核心電壓如0.9v、0.8V、.56V甚至更低以優(yōu)化功耗。
在較低的工作電壓下以較高的頻率工作會(huì)使閾值電平或給定位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)有效窗口變小，從而影響走線和電源層分配功率以及“眼圖”的閉合度。
由較高頻率和較低工作電壓引起的閉眼，增加了數(shù)據(jù)傳輸誤差的機(jī)會(huì)，因而增加了誤碼率，這就需要重新傳輸數(shù)據(jù)流。重傳會(huì)導(dǎo)致處理器在較長時(shí)間處于有源模式以重傳數(shù)據(jù)流，這會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)應(yīng)用更高的功耗并減少使用日 (DOU)。
圖1. 頻率和較低電壓對(duì)眼圖張開的影響
在給定的高頻設(shè)計(jì)中增加其他設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)如信號(hào)衰減、反射、阻抗匹配，抖動(dòng)等時(shí)，很明顯，信號(hào)損耗使接收器難以正確譯出信息，從而增加了誤差的機(jī)會(huì)。
數(shù)據(jù)流中的時(shí)鐘采樣
在接收器處，數(shù)據(jù)是在參考時(shí)鐘的邊緣處采樣的。眼圖張開越大，就越容易將采樣CLK設(shè)置在給定位的中間以采樣數(shù)據(jù)。任何幅值衰減、反射或任何抖動(dòng)，都將使眼圖更閉合并使數(shù)據(jù)有效窗口和有效位時(shí)間變得更窄，從而導(dǎo)致接收端出現(xiàn)誤差。
圖2. CLK采樣
現(xiàn)在，讓我們檢查何時(shí)需要將通道或互連視為傳輸線，并查看在智能手機(jī)或平板電腦等系統(tǒng)中傳輸損耗的一些主要原因。
高頻和傳輸線
低頻設(shè)計(jì)是指波長遠(yuǎn)大于線長度且PCB走線和互連的電阻與頻率無關(guān)，因此傳輸線的影響可以忽略不計(jì)。
高頻設(shè)計(jì)是指波長遠(yuǎn)小于線長度且走線的所有物理特性和互連尺寸都需要控制，以便具有一系列電氣特性的傳輸線可用于給定應(yīng)用。
我們將互連視為傳輸線的時(shí)候是在最高頻率下工作時(shí)，走線長度可能超過該頻率波長的1/10。
此時(shí)，我們需要使用集總元件對(duì)走線建模，并考慮所有頻率相關(guān)元件，包括寄生電容和電感及其對(duì)信號(hào)衰減的影響。
另一種確定在什么頻率下將互連線視為傳輸線的方法是考慮信號(hào)的上升時(shí)間 (tr)。
在大多數(shù)納米工藝節(jié)點(diǎn)中，高數(shù)據(jù)速率信號(hào)具有急劇的上升/下降時(shí)間，這要求將通道或任何互連視為傳輸線。當(dāng)這些信號(hào)通過信道傳播時(shí)，其帶寬和傳輸受給定的信號(hào)上升時(shí)間控制。
傳輸速度
電信號(hào)是電磁波，其傳輸速度取決于其周圍材料的介電常數(shù)。傳輸速度的公式是
圖3. 傳輸線上的波速
自由空間（介電常數(shù)為1）無損傳輸?shù)牟ㄋ偌s為3 x 108 m/s，不同于介電常數(shù)為4的傳輸線的波速，后者導(dǎo)致波速降低一半或1.5 x 108 m/s。
在自由空間對(duì)比在PCB傳輸?shù)牟ㄋ俨町悓?dǎo)致稱為傳播延遲 (Td) 的時(shí)間延遲，Td取決于傳播的媒介和信號(hào)必須傳播的距離。
Td（傳播延遲）=傳播距離/Vp（傳輸速度）
現(xiàn)在，當(dāng)一個(gè)信號(hào) (CLK) 在外層傳播而另一信號(hào) (Data) 在內(nèi)層傳播時(shí)，若我們?cè)谝粋?cè)具有自由空間而在另一側(cè)具有介電常數(shù)時(shí)，情況會(huì)怎樣呢？
在許多設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)必須以互連電纜或撓性電纜作為傳輸路徑的一部分，這會(huì)對(duì)幅值和時(shí)序波形產(chǎn)生延遲和偏差。由于信號(hào)速度降低、串?dāng)_或介電材料吸收的任何能量而導(dǎo)致的時(shí)序偏差或任何其他損耗都會(huì)同時(shí)產(chǎn)生稱為抖動(dòng)的時(shí)序和幅值偏差。
圖4. 抖動(dòng)
在這里，設(shè)計(jì)人員必須匹配一系列信號(hào)之間的飛行時(shí)間。由于內(nèi)層的DATA信號(hào)將傳播得較慢，因此我們必須減小DATA信號(hào)的長度以匹配CLK信號(hào)的飛行時(shí)間。
集膚效應(yīng)
如果我們查看稱為C1的給定導(dǎo)體的一部分并通過它發(fā)送電流I(t)，根據(jù)安培定律，將會(huì)產(chǎn)生與通過導(dǎo)體的電流成比例的磁通量。
如果我們僅考慮一個(gè)導(dǎo)體，附近沒有其他導(dǎo)體，那么通量線 (B1) 將在導(dǎo)體C1中沿與磁場B1相反的方向產(chǎn)生循環(huán)渦流。
圖5. 趨附效應(yīng)引起的電流重新分布
隨著頻率增加，集膚效應(yīng)將電流限制在導(dǎo)體厚度的較小部分，從而增加了有效電阻和相應(yīng)的損耗。
圖6. 由于頻率和走線路徑造成的信號(hào)損失
傳輸線和特征阻抗Zo
傳輸線上的電壓和電流一起傳播，并且是位置 (x) 和時(shí)間 (t) 的函數(shù)。傳輸線的特征阻抗 (Zo) 是與頻率相關(guān)的電阻，是傳輸?shù)碾妷翰ㄅc傳輸?shù)碾娏鞑ㄖ?/div>
圖7. 傳輸線中的電壓和電流
當(dāng)電壓V (x,t) 和電流I (x,t) 一起傳播并達(dá)到端接阻抗時(shí)，歐姆定律要求V (x,t) /I (x,t) 等于端接阻抗 (ZL)。
圖8. 匹配Zo和ZL
當(dāng)高頻信號(hào)通過PCB中的路徑，通過或改變其從一層到另一層的路徑時(shí)，阻抗將發(fā)生變化。
觀察給定的PCB，我們可以看到有很多層、走線、通孔、連接，阻抗在任何給定點(diǎn)處都在變化，且自電容、互電容、自電感和互電感會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)。
圖9. PCB層和阻抗變化
現(xiàn)在，讓我們引入一些集總元件，如寄生電感、電容、交流集膚電阻、直流電阻，它們存在于任何系統(tǒng)中。
可以看出，例如寄生電容 (Cdx) 如何改變電流分布，從而導(dǎo)致傳輸線的特征阻抗發(fā)生變化，并使Zo（傳輸電壓與傳輸電流之比）發(fā)生變化。
圖10. 含集總元件的傳輸線
隨著集膚效應(yīng)降低傳入信號(hào)的幅值，寄生電感兩端的電壓會(huì)降低負(fù)載兩端電壓的上升和下降時(shí)間，從而影響信號(hào)質(zhì)量和使信號(hào)衰減。
圖11. 寄生效應(yīng)對(duì)Zo和信號(hào)完整性的影響
電壓反射系數(shù)
當(dāng)高頻信號(hào)通過不同的路徑、通孔或改變其從一層到另一層的路徑時(shí)，阻抗將發(fā)生變化?？刂七@些寄生信號(hào)并正確端接傳輸線，我們可以以最小的失真?zhèn)鬏斝盘?hào)。
當(dāng)終端阻抗 (ZL) 不等于線路的特征阻抗 (Zo) 時(shí)，必須有一對(duì)反射電壓和電流波，并且該反射信號(hào)將覆蓋在源信號(hào)上，導(dǎo)致失真。
請(qǐng)注意，當(dāng)負(fù)載終端 (ZL) 等于傳輸線的特征阻抗 (Zo) 時(shí)，電壓反射系數(shù)等于零。這表明所有入射波都被匹配的負(fù)載終端吸收。
當(dāng)電壓波和電流波一起傳播并達(dá)到端接阻抗時(shí)，總?cè)肷洳由蟅/I的任何反射波必須等于端接阻抗 (ZL)。
圖12. 入射波和反射波
阻抗不匹配和反射
考慮一條50歐姆的傳輸線，端接150歐姆的端接電阻或一個(gè)過阻尼電路。為簡單起見，我們將電池的阻抗設(shè)置為0，這會(huì)將反射波強(qiáng)制返回負(fù)載。此外，設(shè)置波傳播給定長度的時(shí)間延遲（td=距離/Vp）。現(xiàn)在，讓我們關(guān)閉開關(guān) (s) ，看看負(fù)載發(fā)生了什么。
圖13. 連續(xù)反射波序列
源和終端阻抗之間來回的連續(xù)反射波會(huì)導(dǎo)致信號(hào)覆蓋在源信號(hào)上，并在信號(hào)線上產(chǎn)生振鈴。
圖14. 反射引起的振鈴
在計(jì)算終端和源的反射系數(shù)時(shí)，我們可以得出到達(dá)終端的入射波量加上反射回源的反射波量。
圖14中具有較大電壓的過沖振鈴會(huì)給器件施加更多的輻射而使其過應(yīng)力，并在相鄰走線之間產(chǎn)生更多的串?dāng)_。
另一方面，由振鈴或瞬態(tài)響應(yīng)期間電壓軌下降引起的下沖都將增加更高的誤碼率。
帶轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器和不帶轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)
對(duì)于某些移動(dòng)應(yīng)用，如使用10Gbps數(shù)據(jù)速率的USB 3.1 Gen 2的移動(dòng)應(yīng)用，總損耗預(yù)算以dB為單位，包括所有互連通道損耗。損耗預(yù)算包括從硅到連接器的路徑中的任何損耗，如硅封裝、PCB走線、通孔、柔性、共模濾波器和連接器。
為了USB Type-C Gen 2系統(tǒng)保持好的信號(hào)質(zhì)量而又不限制PCB的尺寸和設(shè)備的位置，轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器是最具性價(jià)比的方案。
考慮到像智能手機(jī)或平板電腦這樣的系統(tǒng)，可以將其視為高頻數(shù)字信號(hào)從APP處理器封裝和引腳、PCB走線、通孔、連接器、柔性電纜和USB連接器傳輸而來，這些高數(shù)據(jù)速率信號(hào)可能在通過1m電纜之前就衰減。
圖15. 典型信號(hào)路徑及信號(hào)衰減
當(dāng)信號(hào)通過信道傳播時(shí)，信號(hào)的幅值會(huì)衰減，且取決于信道的長度，這種衰減可能足以導(dǎo)致在高數(shù)據(jù)速率下出現(xiàn)信號(hào)完整性問題。
轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器作為信號(hào)調(diào)節(jié)器件，可以恢復(fù)在給定通道上已有損耗的信號(hào)，它可以增強(qiáng)恢復(fù)的信號(hào)的輸出，從而允許該信號(hào)傳播更長的距離和開眼以降低誤碼率。
圖16. 使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器
具有可編程差分輸出電壓的轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器確保驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度與線路阻抗、走線長度保持一致，并均衡信號(hào)和解決信號(hào)完整性問題。請(qǐng)記住，增加驅(qū)動(dòng)器的差分輸出電壓將有助于改善接收信號(hào)，但同時(shí)也會(huì)增加噪聲和抖動(dòng)。
總結(jié)
保持可接受的信號(hào)完整性，需要重視集膚效應(yīng)、匹配的端接、反射、通孔、串?dāng)_、耦合及其對(duì)信號(hào)衰減的影響。
當(dāng)走線的長度約為信號(hào)波長的1/10時(shí)，任何互連都應(yīng)視為傳輸線。
影響信號(hào)完整性的因素，如信道損耗和由阻抗失配引起的信號(hào)反射，發(fā)生在數(shù)據(jù)從處理器通過PCB、通孔、柔性電纜或從PCB、通孔、柔性電纜到處理器的任何傳輸過程中。
在整個(gè)信號(hào)路徑中保持阻抗匹配對(duì)于接口至關(guān)重要，以防止反射并提供最大的功率傳輸。任何阻抗失配都會(huì)在線路上引起反射，增加抖動(dòng)并可能損害信號(hào)質(zhì)量。
如果沒有轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器，將很難或幾乎不可能在數(shù)據(jù)速率>10Gbps通過系統(tǒng)電氣和協(xié)議一致性測試。在不使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行短通道和長通道測試時(shí)，具有較高數(shù)據(jù)速率的給定信號(hào)的總傳輸通道距離可能會(huì)受到限制，并且不同設(shè)備之間的互操作性機(jī)會(huì)會(huì)降低。
推薦閱讀：
