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超高速PCB設(shè)計中的寬帶信號分析
超高速PCB設(shè)計中的寬帶信號分析
在進(jìn)行高速設(shè)計時，良好的設(shè)計和分析方法應(yīng)該考慮到所討論信號的整個帶寬，而不僅僅是單個限制頻率。模擬信號更簡單，因為它們的帶寬更小，但模擬組件的電路仍然需要在整個帶寬內(nèi)具有平坦的響應(yīng)，以防止信號衰減。
什么是寬帶信號？
像許多工程術(shù)語一樣，“寬帶”這個詞是一個相對術(shù)語；一位工程師的寬帶信號是非常窄帶的信號。一般來說，寬帶信號是一種數(shù)字或模擬信號，其中包含分布在廣泛范圍內(nèi)的頻率分量。頻率分量的擴(kuò)展范圍可以是載波頻率的百分之幾（例如，典型的 FM 信號），或者它可以跨越許多倍頻程（例如，截斷的數(shù)字信號）。無論如何，我們正在設(shè)計一個電路板或分析一個在廣泛頻率范圍內(nèi)突出的測量。
考慮NRZ 和 PAM4 信令。這兩種信令方案無疑是寬帶的；每個的奈奎斯特頻率分別是波特率的 1/2 和 1/4，但在超過 5 倍奈奎斯特頻率時可以看到失真和錯誤。顯然，在如此高的頻率下發(fā)生的情況很重要，但較舊的設(shè)計方法告訴設(shè)計人員只考慮在一個頻率下發(fā)生的情況。
當(dāng)?shù)湫偷母咚傩盘柗植荚诤艽蟮念l率范圍內(nèi)時，您使用哪個頻率來設(shè)計互連？下面來自 Heyfitch 和 Shlepnev 的示例圖片表明答案并不那么清楚。
帶狀線對高速信號的響應(yīng)在高頻下顯著下降。這是因為實際傳輸線的作用類似于低通濾波器，而不是高通濾波器。
上圖應(yīng)該具有指導(dǎo)意義，并告訴您為什么在整個信號帶寬內(nèi)工作如此重要。藍(lán)色圖顯示了邊緣速率為 4 ps 的 PAM4 偽隨機(jī)二進(jìn)制位序列的功率譜密度，紅色曲線顯示了在互連的 Rx 端測量的響應(yīng)（PCB 上只有 25 厘米的走線）。損耗主要發(fā)生在通常與毫米波信號相關(guān)的高 GHz 頻率上。事實是，更多的數(shù)字設(shè)計人員需要在這些頻率下工作，以適應(yīng)高速信號標(biāo)準(zhǔn)中更快的邊沿/波特率。
寬帶信號分析入門
首先，寬帶信號分析從頻域開始（參見上面的 PSD 圖！），因為這是查看信號帶寬以及 PCB 在不同頻率下如何響應(yīng)的唯一方法。在 PCB 設(shè)計中，寬帶信號分析可用于評估信號帶寬內(nèi)的信號完整性指標(biāo)，而不僅僅是在單個頻率上。這是USB 4.0標(biāo)準(zhǔn)中采用的分析方法，我在其他領(lǐng)域也采用相同的方法。
寬帶信號分析沒有固定的過程要遵循。相反，您需要考慮對您的設(shè)計很重要的重要信號完整性指標(biāo)。在某些情況下（例如，我上面提到的 USB 4.0 標(biāo)準(zhǔn)），可能會指定寬帶指標(biāo)，然后您可以將其用于比較。在設(shè)計過程中，您需要依靠信號完整性仿真工具來檢查寬帶信號行為。
以下是檢查不同設(shè)計中寬帶信號行為的一般過程：
選擇一種在您的設(shè)計中很重要的現(xiàn)象。示例包括關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)之間的串?dāng)_、信號失真（根據(jù)傳遞函數(shù)計算）、插入損耗、回波損耗和電源總線紋波/接地反彈（在 PDN 上）。需要施加一些上限/下限以確保您的設(shè)計正常運行。
模擬相關(guān)現(xiàn)象并轉(zhuǎn)換到頻域。進(jìn)行傅立葉變換會將您的數(shù)據(jù)置于頻域中，然后將用于量化您是否達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。
為您的設(shè)計制定一個品質(zhì)因數(shù)。在進(jìn)行寬帶信號分析時，您需要有一些指標(biāo)來量化您是否在整個信號帶寬內(nèi)達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。這通常被表述為頻域中的某個積分，這很簡單，可以進(jìn)行數(shù)值計算。
為了說明第 3 點，下面的示例來自我自己為高速板設(shè)計帶狀線的工作。我將這個品質(zhì)因數(shù)命名為“集成阻抗偏差”(IID)，以努力遵循與在 SI 感知設(shè)計中使用寬帶設(shè)計指標(biāo)的其他人相同的軌道。此命名方案類似于 USB 4.0 中使用的命名方案（集成差分串?dāng)_和集成回波損耗），不同之處在于此特定度量是比較而不是特定度量的計算。
示例：集成阻抗偏差
當(dāng)試圖將傳輸線設(shè)計為目標(biāo)特性阻抗時，基板中的色散和銅跡線中的粗糙度會在頻域內(nèi)產(chǎn)生與目標(biāo)阻抗的奇怪偏差。整個設(shè)計帶寬中IID的大小告訴我我滿足設(shè)計的阻抗要求的程度。在下面的定義中，Z T ( f ) 是我的目標(biāo)阻抗，Z ( f ) 是根據(jù)分析模型、模擬或數(shù)值模型確定的阻抗。光譜I ( f) 是輸入電流頻譜，在此定義中用作加權(quán)函數(shù)。這基本上讓我們可以說明信號帶寬的哪些部分對阻抗匹配最重要。
我喜歡用于高速寬帶信號分析的示例品質(zhì)因數(shù)。
在上圖中，我們可以看到，給定這個輸入電流脈沖，粗線和平滑線的 IID 值非常相似，即使它們的阻抗譜大不相同。這可以通過左側(cè) y 軸（阻抗的實部）上的幅度來解釋；此處的標(biāo)度僅跨越 ~2 歐姆，相比之下，虛數(shù)值的范圍非常小（僅 ~2%）。考慮到設(shè)計中增加的粗糙度，兩條線非常匹配；事實上，這些線的走線寬高比只有 2% 的差異。
上面要注意的另一個重點是這種比較對于特定的輸入脈沖是有效的。因此，如果我們想要檢查不同的輸入脈沖，我們將為該通道設(shè)置不同的 IID 值。這些類型的比較甚至可以應(yīng)用于固有帶寬受限的信號（例如，調(diào)頻信號），然后將考慮有限的相關(guān)帶寬和包含最多功率的信號部分。
使用寬帶信號完整性指標(biāo)
如果您正在為您自己的設(shè)計類別確定寬帶信號分析指標(biāo)，或者您只需要檢查在寬帶寬上與目標(biāo)值的偏差，您會發(fā)現(xiàn)上述公式很有用。上面的方程基本上是我設(shè)計的帶狀線上寬帶信號電壓與帶狀線上所需信號之間的均方根誤差。這種差異是由于設(shè)計阻抗 Z 和目標(biāo)阻抗Z T之間的差異引起的 。
在這里，設(shè)計目標(biāo)是調(diào)整信號幾何結(jié)構(gòu)，使IID保持在某個可接受的水平以下。如果IID太大，則設(shè)計阻抗和目標(biāo)阻抗之間的差異太大。可以對其他信號完整性度量（例如，串?dāng)_、損耗、相位響應(yīng)平坦度等）采用類似的方法。
一種策略是使用寬帶信號完整性指標(biāo)來開發(fā)“設(shè)計空間”，該術(shù)語與優(yōu)化問題中定義的可行空間相關(guān)。這里的想法是使用您認(rèn)為對您的設(shè)計很重要的相關(guān)信號完整性指標(biāo)來確定滿足您的設(shè)計要求的可接受指標(biāo)范圍。這需要在前端進(jìn)行大量模擬工作，例如場求解器計算或 IBIS 模擬，但它會幫助您在設(shè)計中制定一組可接受的信號完整性指標(biāo)限制。
平衡 IID 和綜合回波損耗 (IRL) 的設(shè)計空間示例。
根據(jù)優(yōu)化問題的定義，您開發(fā)的設(shè)計空間可能是一個非常復(fù)雜的多維圖，無法輕松可視化。試圖平衡兩個指標(biāo)的最簡單的設(shè)計空間是二維空間，如上例所示。在此示例中，我繪制了 USB 4.0 中定義的IID 和集成回波損耗 (IRL) 的可接受限制。雖然您可以使用仿真來開發(fā)這些設(shè)計空間，但最好的策略是使用測量來考慮信號完整性。
使用測量而不是模擬
某些量，例如由于纖維編織效應(yīng)引起的周期性載荷，無法使用 EDA 工具輕松模擬。在這種情況下，您仍然可以計算集成的寬帶信號指標(biāo)來量化信號行為，但您將使用您的測量而不是模擬。在這里，您可能希望根據(jù)您的數(shù)據(jù)計算品質(zhì)因數(shù)，然后將其與您的設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行比較。