千兆位设备PCB的信号完整性设计

2022-06-18 07:25分类：电子元器件阅读：

千兆网卡位机器设备PCB的信号完整性设计方案

　　文中主要是探讨在千兆网卡位传输数据中需充分考虑的信号完整性设计方案难题，与此同时详细介绍运用PCB设计专用工具处理这种情况的方式，如集肤效应和介电损耗、焊盘和射频连接器的危害、音频信号及走线考虑到、开关电源分派及EMI操纵等。

　　通信与电子信息技术的快速發展促使快速PCB设计进入了千兆网卡位行业，新的快速元器件运用促使这般高的速度在侧板和双板上的远距离传送变成很有可能，但此外，PCB设计中的信号完整性难题(SI)、开关电源一致性及其电磁兼容测试领域的情况也更为突显。

　　信号完整性就是指数据信号在电源线上传输数据的品质，关键情况包含反射面、震荡、时钟频率、地弹和串扰等。信号完整性差并不是由某一单一要素造成，只是板级设计方案中各种原因一同造成。在千兆网卡位机器设备的PCB板设计方案中，一个好的信号完整性设计方案规定技术工程师全方位考虑到元器件、同轴电缆互连计划方案、开关电源分派及其EMC层面的难题。

　　快速PCB设计EDA专用工具早已从纯粹的模拟认证发展趋势到制定和认证紧密结合，协助设计师在设计方案初期设置标准以避免出现不正确而不是在设计方案中后期发现问题。伴随着数据速率愈来愈高设计方案更加繁杂，快速PCB结构化分析专用工具越来越更为必需，这种专用工具包含时钟频率剖析、信号完整性剖析、设计空间主要参数扫描仪剖析、EMC设计方案、开关电源系统软件稳定剖析等。这儿大家将主要探讨在千兆网卡位机器设备PCB设计中信号完整性剖析应考虑到的一些难题。

　　快速元器件与元器件实体模型

　　虽然千兆网卡位上传与接受电子器件经销商会给予相关集成ic的制定材料，可是元器件经销商针对新元器件信号完整性的认识也存有一个全过程，那样元器件经销商提供的制定手册很有可能并不成熟，也有便是元器件经销商提供的设计方案约束方程一般全是十分严格的，对设计方案技术工程师而言要考虑全部的制定标准会特别艰难。因此就必须信号完整性技术工程师应用模拟仿真分析工具对经销商的管束标准和具体设计方案实现剖析，调查和提升电子器件挑选、网络拓扑结构、配对计划方案、配对电子器件的值，并最后研发出保证信号完整性的PCB合理布局走线标准。因而，千兆网卡位数据信号的精准模拟仿真剖析越来越十分关键，而元器件实体模型在信号完整性剖析工作上的效果也更加获得高度重视。

　　电子器件实体模型一般包含IBIS实体模型和Spice实体模型。因为板级模拟仿真只关注输出管脚历经互连系统软件到键入引脚的数据信号回应，与此同时IC生产厂家不期待泄露元器件內部具体的电源电路信息内容，且晶体三极管级Spice模型仿真時间一般无法忍受，因此IBIS实体模型在快速PCB设计行业慢慢被愈来愈多的元器件生产厂家和信号完整性技术工程师所接纳。

　　针对千兆网卡位机器设备PCB系统软件的模拟仿真，技术工程师常常会对IBIS实体模型的准确性提出异议。当元器件工作中在晶体三极管的饱和状态与截至区的时候，IBIS实体模型欠缺充足详尽的消息来叙述，在暂态回应的离散系统地区，用IBIS模型仿真的效果不可以像晶体三极管级实体模型那般造成精准的回应信息内容。殊不知，针对ECL种类元器件，能够获得和晶体三极管级模型仿真結果很契合的IBIS实体模型，缘故非常简单，ECL控制器工作中在晶体三极管的线形地区，輸出波型更贴近于理想化的波型，按IBIS规范能够获得比较准确的IBIS实体模型。

　　伴随着数据信息传输速度提升，在ECL技术性基本上发展壮大下去的差分信号元器件获得较大发展趋势。LVDS规范和CML等促使千兆网卡位数据信号传送变成很有可能。从里面的探讨得知，因为电源电路构造和相对应的差分信号关键技术，IBIS规范依然适用千兆网卡位系统软件的设计方案。已发布的一些IBIS实体模型在2.5Gbps LVDS和CML设计方案中的运用文章内容也表明了这一点。

　　因为IBIS实体模型不适感用以叙述数字功放电源电路，针对很多有预加剧电源电路开展耗损赔偿的Gbps元器件，IBIS实体模型并不适合。因而，在千兆网卡位控制系统设计中，IBIS实体模型仅有在以下状况下能能够合理工作中：

　　1．差分信号元器件工作中在扩大区(线形V-I曲线图)

　　2．元器件沒有数字功放预加剧电源电路

　　3．元器件有预加剧电源电路可是并没有运行(短的互连系统软件下运行预加剧作用很有可能致使更差的結果)

　　4．元器件有没有源预加剧电源电路，可是电源电路能够从元器件的裸片上分离出来。

　　数据速率在10Gbps或左右时，輸出的波型更像正弦波形，这时候Spice实体模型就更可用。

　　耗损危害

　　当数据信号頻率上升，同轴电缆上的衰减系数就不能忽视。这时必须考虑到由电导体连接起来等效电阻和物质串联等效电路氧化还原电位造成的耗损，需应用不利于同轴电缆实体模型实现剖析。

不利于同轴电缆等效电路实体模型如图所示1，从图上能够看得出，表现耗损的是等效电路连接起来电阻器R和等效电路串联氧化还原电位G。等效电路连接起来电阻器R是电阻测量和集肤效应造成的电阻器，电阻测量为电导体自身的电阻器，由电导体的物理化学构造和导线的电阻决策。当頻率上升，集肤效应逐渐功效，集肤效应是当高频率数据信号根据导线时，电导体中的讯号电流量集中化于电导体表层的状况。在电导体內部，沿电导体横截面数据信号电流强度呈指数值衰减系数，电流强度减少为原先1/e时的深层叫趋肤深度。頻率越高，趋肤深度越小，造成电导体的电阻器提升。趋肤深度与次数的平方根反比。

　　等效电路串联氧化还原电位G也称之为介电损耗(Dielectric Loss)。在高频时，等效电路串联氧化还原电位与媒介的体导电率和等效电路电容器相关，而当頻率上升时，介电损耗角逐渐起主导地位。这时物质导电率由介电损耗角和数据信号頻率决策。

　　一般来说，当頻率低于1GHz时，集肤效应耗损起关键功效，頻率在1GHz之上时，介电损耗占有核心。

　　在模拟仿真软件中还可以设定相对介电常数、介电损耗角、电导体导电率及其截止频率，手机软件在模拟仿真的时候会依据同轴电缆的构造考虑到集肤效应与介电损耗的危害。假如模拟仿真衰减系数，一定要依据数据信号的网络带宽设定对应的截止频率，网络带宽由数据信号边缘速度决策，很多622MHz数据信号与2.5GHz数据信号边缘速度区别并不大，此外在不利于同轴电缆的实体模型中也能够见到等效电阻和氧化还原电位随頻率转变而不一样。

　　从图2中可看得出，耗损使数据信号的上升沿减慢，即减少了讯号的网络带宽，而且耗损减少了讯号的力度。从另一方面讲，这针对抑止数据信号过冲是有优势的。

　　同轴电缆的串扰也会危害耗损，串扰决策于同轴电缆物理学构造、藕合长短、接收灵敏度和边缘速度。在一定长短后串扰会饱和状态，耗损却不一定提升。

　　焊盘和射频连接器的危害

　　焊盘将数据信号传至木板的另一侧，板间的竖直金属材料一部分不是可控性特性阻抗，并且从水平方向变成竖直角度的转折点是一个中断点，会发生反射面，应尽量避免它的发生(图3)。

　　在千兆网卡位控制系统设计模拟仿真中，要考虑到焊盘的危害，必须经历孔实体模型。焊盘的实体模型构造为连接起来电阻器R、电感器L和串联电容器C方式。依据实际使用和精密度规定，能够使用好几个RLC构造串联的方式，并考虑到与其他电导体间的藕合，这时过孔实体模型便是一个引流矩阵。

　　过孔实体模型的获得有这两种方式，一种是根据检测比如根据TDR来得到 ,另一种能够根据3D的场获取器(Field Solver)依据焊盘的物理化学构造来获取。

　　过孔实体模型主要参数与PCB的原材料、层叠、薄厚、焊层/反焊层规格、及其与其说相连接的联线的接口方式相关。在模拟仿真软件中，依据精密度标准能够设定不一样的主要参数，手机软件会根据对应的优化算法获取焊盘的实体模型并在模拟仿真时考量其危害。

　　在千兆网卡位系统软件PCB的制定中特别要考虑到射频连接器的危害，现在高速射频连接器技术性的快速发展早已能够非常好地确保数据信号传送时特性阻抗与地水平面的持续性，设计方案中对接插件的模拟剖析关键选用多段实体模型。

　　射频连接器多段实体模型是在三维空间下，考虑到引脚间的电感器和电容耦合获取下来的实体模型。射频连接器多段实体模型一般应用三维场获取器获取出RLGC引流矩阵，一般是Spice实体模型子电源电路方式。因为实体模型构造繁琐，获取和模拟仿真剖析时都需用较长的時间。在SpecctraQuest手机软件中，能够把射频连接器的Spice实体模型编写成Espice实体模型，赋给元器件或立即启用，还可以编写成DML文件格式的封裝实体模型赋给元器件应用。

　　音频信号及走线考虑到

　　音频信号具备抗干扰性强、传输速度高的优势，在千兆网卡位数据信号传递中，能够更强减少串扰、EMI等的危害，其藕合方式有边缘藕合与左右藕合、松耦合和紧藕合等方式。

　　边缘藕合与左右藕合对比具备更强减少串扰、走线便捷、生产加工简易等优势，左右藕合更常常使用于走线密度大的PCB 板。紧藕合相对性于松耦合具备更强的抗干扰性，并能减少串扰，松耦合则可更强操纵差分信号布线特性阻抗的持续性。

　　实际的差分信号布线标准要依据不一样的情形考虑到特性阻抗持续性、耗损、串扰、布线长短差别等的危害。差分信号线最好用眼图来剖析模拟仿真結果。模拟仿真软件能够设置任意编码序列码造成眼图，而且能够键入颤动与偏位主要参数剖析其对眼图的危害。

　　开关电源分派与EMC

　　数据信息传输率的提升随着着快速的边缘速度，必须在更宽的频段内确保开关电源可靠性。一个快速系统软件也许会根据暂态10A的电流量，而且规定开关电源较大谐波失真50mV，换句话说要确保一定頻率范畴内开关电源分派网络的特性阻抗在5mΩ之内，比如数据信号的增益值低于0.5ns，要考虑到的频宽范畴达1.0GHz。

　　在千兆网卡位控制系统设计中，要防止同歩噪音(SSN)的影响，确保开关电源分派系统软件在网络带宽范畴内具备较低特性阻抗。一般在高频段，选用去耦电容减少特性阻抗，高频率段关键考虑到开关电源、地平面图遍布。图4展示了开关电源、地水平层考虑到去耦电容和沒有考虑到去耦电容危害时，特性阻抗转变的相频特性图。

　　SpecctraQuest手机软件能够剖析因为封裝构造导致的同歩噪音的危害，在其中的Power Integrity(PI)手机软件选用时域剖析开关电源分派系统软件，能够合理地剖析去耦电容总数与部位及其开关电源、地水平面的干扰实际效果，协助技术工程师开展去耦电容挑选及其置放部位、走线和平面图遍布剖析。

　　EMC即电磁兼容测试性，造成的情况包括过多电磁波辐射及对电磁波辐射敏感度两层面。它发生的首要因素是电源电路输出功率太高及其合理布局走线不科学。现阶段已经有开展EMC模拟仿真的工具软件，但EMC的情况能够由很多电磁感应领域的因素造成，模拟仿真主要参数和初始条件设定很艰难，这将同时危害模拟仿真效果的准确度和应用性。最一般的作法是将操纵EMC的各类设计方案标准运用在制定的每一阶段，完成在设计方案各阶段上的标准推动和操纵，设计方案进行检测认证后又可以产生新的标准运用到新的制定中。

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