浅谈信号完整性之对称的重要性_周敏杰.pdf

2023.3电子产品世界设计应用模拟技术Design&Application浅谈信号完整性之对称的重要性On the importance of symmetry of signal integrity周敏杰（安费诺电子装配（厦门）有限公司，厦门361009）摘 要：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。关键词：信号；完整性；对称性开发过 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 电容才满足信号要求；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信号就会很大；设计连接器的转接板时,如果有一高速信号旁边的地线 PIN 不直接接到,那么信号完整性测试就无法通过。本文基于以上这些情况,逐个讨论,突出高速信号返回地的对称性设计的重要性,给信号完整性工程师以及 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完整性,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。图1 高频回路与低频回家的返回路径图2 高速线地线断开90ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.3$模拟技术电子产品世界Design设计应用&Application2 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,而对称性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,不对称性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。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。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,图3 上PCB间接接地，下PCB直接接地 2023.3电子产品世界设计应用模拟技术Design&Application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。先来看插入损耗的仿真结果对比,任何高速链路,插入损耗都是最重要的参数之一,从频域上看,插入损耗线越小,越平滑,整个链路的性能就会越好,仿真结果显示具体有对称性返回地设计的模型插入损耗要小,且波动小,而间接地的那个模型则明显有掉沟,波动较大。再看近端串扰的性能,差异也很明显,间接地的模型在（015）GHz 频段明显高于直接地的模型,从结果来看间接地的设计只能满足 PCIE GEN3 性能,而直接地的设计可满足 PCIE GEN5 的要求。差别甚大。最后来看差模转共模,这是一个噪声信号,越小越好,仿真结果显示,间接地的模型,差模转共模明显比直接地模型大,跟实测结果对比,仿真结果与实测非常吻合。这进一步证实,返回地的不对称性设计是造成共模噪声的一大因素。引言中有提到 USB4 的连接器信号处理方式,即用四颗 10 nF 的电容来缓解信号完整性问题。要讲清楚这个,我们必须得了解 Type-C 连接器的 pin 定义如图 5 所示,高速信号对旁边看起来不对称,一侧是GND 一侧是 VBUS,按照上面的仿真结果和实测数据,TYPE-C 连接器的信号完整性肯定有问题,满足不了规范要求,如果要满足,那就的想办法做成对称设计,怎样将一侧电源一侧地完美地平衡呢？这时候电容的作用就体现出来了,它可以将高频回流信号通过电容,借电源平面完成回流,这样的处理,也从另一层面实现了返回地的对称性。这里同样也安排了此种情况下的仿真,即基于图 4 左边那个不对称的模型,增加 10 nF 电容,进行仿真,结果显示高速信号虽然比直接接地的情况要差点,但谐振点已经拉到 10 GHz 以外了,而 10 GHz以内的信号平稳、波动小,已经满足规范要求了,如图6 所示。-10-9-8-7-6-5-4-3-2-100510152025303540dBGHz插入损耗间接地直接地-100-95-90-85-80-75-70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-100510152025303540dBGHz近端串扰间接地直接地-80-75-70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-100510152025303540dBGHz差模转共模间接地直接地图4 仿真模型以及仿真结果92ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.3$模拟技术电子产品世界Design设计应用&Application5 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.图5 Type-C板端连接器标准接口定义-10-9-8-7-6-5-4-3-2-100510152025303540dBGHz插入损耗间接地直接地接电容10nF图6 连接电容模型与仿真结果对比