超高速PCB设计中的宽带信号分析

2021-06-03

超高速PCB设计中的宽带信号分析

在进行高速设计时，良好的设计和分析方法应该考虑到所讨论信号的整个带宽，而不仅仅是单个限制频率。模拟信号更简单，因为它们的带宽更小，但模拟组件的电路仍然需要在整个带宽内具有平坦的响应，以防止信号衰减。

什么是宽带信号？

像许多工程术语一样，“宽带”这个词是一个相对术语；一位工程师的宽带信号是非常窄带的信号。一般来说，宽带信号是一种数字或模拟信号，其中包含分布在广泛范围内的频率分量。频率分量的扩展范围可以是载波频率的百分之几（例如，典型的 FM 信号），或者它可以跨越许多倍频程（例如，截断的数字信号）。无论如何，我们正在设计一个电路板或分析一个在广泛频率范围内突出的测量。

考虑NRZ 和 PAM4 信令。这两种信令方案无疑是宽带的；每个的奈奎斯特频率分别是波特率的 1/2 和 1/4，但在超过 5 倍奈奎斯特频率时可以看到失真和错误。显然，在如此高的频率下发生的情况很重要，但较旧的设计方法告诉设计人员只考虑在一个频率下发生的情况。

当典型的高速信号分布在很大的频率范围内时，您使用哪个频率来设计互连？下面来自 Heyfitch 和 Shlepnev 的示例图片表明答案并不那么清楚。

带状线对高速信号的响应在高频下显着下降。这是因为实际传输线的作用类似于低通滤波器，而不是高通滤波器。

上图应该具有指导意义，并告诉您为什么在整个信号带宽内工作如此重要。蓝色图显示了边缘速率为 4 ps 的 PAM4 伪随机二进制位序列的功率谱密度，红色曲线显示了在互连的 Rx 端测量的响应（PCB 上只有 25 厘米的走线）。损耗主要发生在通常与毫米波信号相关的高 GHz 频率上。事实是，更多的数字设计人员需要在这些频率下工作，以适应高速信号标准中更快的边沿/波特率。

宽带信号分析入门

首先，宽带信号分析从频域开始（参见上面的 PSD 图！），因为这是查看信号带宽以及 PCB 在不同频率下如何响应的唯一方法。在 PCB 设计中，宽带信号分析可用于评估信号带宽内的信号完整性指标，而不仅仅是在单个频率上。这是USB 4.0标准中采用的分析方法，我在其他领域也采用相同的方法。

宽带信号分析没有固定的过程要遵循。相反，您需要考虑对您的设计很重要的重要信号完整性指标。在某些情况下（例如，我上面提到的 USB 4.0 标准），可能会指定宽带指标，然后您可以将其用于比较。在设计过程中，您需要依靠信号完整性仿真工具来检查宽带信号行为。

以下是检查不同设计中宽带信号行为的一般过程：

选择一种在您的设计中很重要的现象。示例包括关键网络之间的串扰、信号失真（根据传递函数计算）、插入损耗、回波损耗和电源总线纹波/接地反弹（在 PDN 上）。需要施加一些上限/下限以确保您的设计正常运行。

模拟相关现象并转换到频域。进行傅立叶变换会将您的数据置于频域中，然后将用于量化您是否达到了设计目标。

为您的设计制定一个品质因数。在进行宽带信号分析时，您需要有一些指标来量化您是否在整个信号带宽内达到了设计目标。这通常被表述为频域中的某个积分，这很简单，可以进行数值计算。

为了说明第 3 点，下面的示例来自我自己为高速板设计带状线的工作。我将这个品质因数命名为“集成阻抗偏差”(IID)，以努力遵循与在 SI 感知设计中使用宽带设计指标的其他人相同的轨道。此命名方案类似于 USB 4.0 中使用的命名方案（集成差分串扰和集成回波损耗），不同之处在于此特定度量是比较而不是特定度量的计算。

示例：集成阻抗偏差

当试图将传输线设计为目标特性阻抗时，基板中的色散和铜迹线中的粗糙度会在频域内产生与目标阻抗的奇怪偏差。整个设计带宽中IID的大小告诉我我满足设计的阻抗要求的程度。在下面的定义中，Z T ( f ) 是我的目标阻抗，Z ( f ) 是根据分析模型、模拟或数值模型确定的阻抗。光谱I ( f) 是输入电流频谱，在此定义中用作加权函数。这基本上让我们可以说明信号带宽的哪些部分对阻抗匹配最重要。

我喜欢用于高速宽带信号分析的示例品质因数。

在上图中，我们可以看到，给定这个输入电流脉冲，粗线和平滑线的 IID 值非常相似，即使它们的阻抗谱大不相同。这可以通过左侧 y 轴（阻抗的实部）上的幅度来解释；此处的标度仅跨越 ~2 欧姆，相比之下，虚数值的范围非常小（仅 ~2%）。考虑到设计中增加的粗糙度，两条线非常匹配；事实上，这些线的走线宽高比只有 2% 的差异。

上面要注意的另一个重点是这种比较对于特定的输入脉冲是有效的。因此，如果我们想要检查不同的输入脉冲，我们将为该通道设置不同的 IID 值。这些类型的比较甚至可以应用于固有带宽受限的信号（例如，调频信号），然后将考虑有限的相关带宽和包含最多功率的信号部分。

使用宽带信号完整性指标

如果您正在为您自己的设计类别确定宽带信号分析指标，或者您只需要检查在宽带宽上与目标值的偏差，您会发现上述公式很有用。上面的方程基本上是我设计的带状线上宽带信号电压与带状线上所需信号之间的均方根误差。这种差异是由于设计阻抗 Z 和目标阻抗Z T之间的差异引起的 。

在这里，设计目标是调整信号几何结构，使IID保持在某个可接受的水平以下。如果IID太大，则设计阻抗和目标阻抗之间的差异太大。可以对其他信号完整性度量（例如，串扰、损耗、相位响应平坦度等）采用类似的方法。

一种策略是使用宽带信号完整性指标来开发“设计空间”，该术语与优化问题中定义的可行空间相关。这里的想法是使用您认为对您的设计很重要的相关信号完整性指标来确定满足您的设计要求的可接受指标范围。这需要在前端进行大量模拟工作，例如场求解器计算或 IBIS 模拟，但它会帮助您在设计中制定一组可接受的信号完整性指标限制。

平衡 IID 和综合回波损耗 (IRL) 的设计空间示例。

根据优化问题的定义，您开发的设计空间可能是一个非常复杂的多维图，无法轻松可视化。试图平衡两个指标的最简单的设计空间是二维空间，如上例所示。在此示例中，我绘制了 USB 4.0 中定义的IID 和集成回波损耗 (IRL) 的可接受限制。虽然您可以使用仿真来开发这些设计空间，但最好的策略是使用测量来考虑信号完整性。

使用测量而不是模拟

某些量，例如由于纤维编织效应引起的周期性载荷，无法使用 EDA 工具轻松模拟。在这种情况下，您仍然可以计算集成的宽带信号指标来量化信号行为，但您将使用您的测量而不是模拟。在这里，您可能希望根据您的数据计算品质因数，然后将其与您的设计目标进行比较。