一种高速互连通道的信号完整性仿真研究

滕 丽

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060）

1 引言

随着高速电子系统工作频率的不断提高和信号边沿翻转速度的加快，高速数字PCB的互连设计对整个系统电气性能的影响也越来越大。对于低速电路，PCB板的互连线可以看作是简单的金属导线，仅仅起着电气连通的作用。但是，在高速电路中，互连线就不能仅仅当作金属导线，而需要作为传输线来处理，由于封装、微带线、过孔、连接器等的寄生效应影响以及损耗，导致接收信号波形不完整和系统时序上的错误。因此，高速系统设计尤其是PCB进行板级和系统级设计时，必须考虑互连效应所引起的信号完整性问题[1]。

2 信号完整性的定义

信号完整性是指传输系统在信号传输过程中保持信号时域和频域特性的能力。它表明信号通过信号线传输后仍能保持其正确的功能特性，即信号在电路中能以正确的时序、幅度及相位等做出响应。如果电路中信号能够以要求的时序和电压幅度到达接收端，就表明该电路具有较好的信号完整性。反之，信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题[2]。

根据信号完整性的定义，我们要关注两个方面的问题：信号质量和信号时序。保证可靠的高速数据传输是信号完整性分析的目的。信号完整性实质上与振铃、串扰、地弹和电源噪声有关。因此，信号会受到电路逻辑系列、电源传输网络以及高速数字设计等方面的影响，这些错误的、实际的影响会导致电压和电流波形失真以及信号抖动，从而导致开关误动作和逻辑错误[3]。

2.1 信号质量

信号质量就是分析接收端得到的电压波形，确保接收端正确采样，如图1所示指出了信号完整性分析的主要问题[2]。

（1）V＞Vmax或 V＜Vmin：电压超过允许极限值，可能造成器件物理损坏；

（2）V＞Vhmax：过冲；

（3）Vhmax＞V＞Vinh：逻辑“l”；

（4）Vinh＞V＞Vinl：逻辑状态不确定；

（5）Vinl＞V＞Vlmin：逻辑“0”；

（6）V＜Vlmin：下冲。

此外，信号出现振铃、非单调、抖动也会影响到接收端的逻辑判决，同时还会影响时序。

图1 信号完整性示意图

2.2 信号时序

时序完整性：以同步时钟信号为基准的时序计算到达设计要求，有足够的建立时间裕量、保持时间裕量、低的时钟抖动等以保证数据采集正确。其中涉及传输时间、飞行时间、建立时间、保持时间、时钟抖动、时钟偏移等参数。

3 高速互连通道建模及眼图分析

本文以数字激励源与D/A转换器评估板高速互连通道为例，如图2所示，该通道包括驱动端buffer连接器、差分微带线、过孔、接收buffer，提取微带线、连接器以及过孔模型，并与电路的驱动、接收端的IBIS模型相结合，在时域中仿真，生成数据眼图，并通过数据眼图来评估经过传输通道的信号质量。

图2 高速互连通道示意图

3.1 微带线建模

面对日益升高的数字电路频率和复杂的寄生效应，无导体损耗和介质损耗的理想传输线是不存在的，图3所示为传输线的微分段等效电路模型。其中，串联电阻Rdz代表由于导线电导率有限而引起的损耗，并联电导Gdz代表由于分隔导线和地平面的介质阻抗有限而引起的损耗，串联电感Ldz代表磁场，并联电容Cdz代表导线和地平面之间的电场[3]。

图3 传输线的微分段等效电路模型(RLCG模型)

本仿真采用了Ansoft的Siwave提取微带线模型，Ansoft提供了与当前业界主流PCB Layout工具（ 如 Allegro、Board Station、PADS、Expedition、Zuken等）之间方便快捷的接口。我们目前采用Allegro与Siwave连接。首先将PCB文件导入Siwave，如图4所示。

图4 PCB板导入Siwave工程图

该PCB文件规则检查运行完之后，设置需要提取模型的走线端口，同时设置其参考地阻抗50 Ω以及就近的参考地网络。本例共提取了14对差分线的模型，通过设置扫描频率（0 Hz～3 GHz），采样点 200点，计算其S、Y、Z参数，得到如图5、图6所示的S11、S21参数结果，同时可以得到微带线SNP文件，用在时域中仿真。

图5 微带线S11参数

由图5、图6可知，S11在-10 dB以下，表明能量反射回来较少，但仍未达到最理想的效果，一般要求在-20 dB以下，而S21随着频率的增加衰减明显，到3 GHz时已达到-6 dB。

图6 微带线S21参数

3.2 过孔建模

过孔是指PCB板上钻的小孔，用于连接PCB板的不同叠层。典型的过孔由金属柱、焊盘和反焊盘组成。由于通孔的不连续性结构，当其在低频情况下我们完全可以将其看作一条普通的导线，但在高频的情况下通孔则会产生寄生电容和电感，通孔寄生电容估算如下[4]：

其中C是通孔的电容，单位为pF。D2是反焊盘直径（in），D1是焊盘直径 (in)，T是印刷电路板的厚度(in)，εr是电路板的介电常数。

此外，过孔还存在寄生电感，其计算如下[4]：

其中L是通孔的电感，单位nH；h为通孔的长度(in)；d为通孔直径(in)；根据以上公式可以看出，过孔的寄生电容、寄生电感与孔径、焊盘反焊盘参数有关。

Ansoft提供了专用的过孔建模软件，通过设置过孔焊盘、反焊盘、孔径大小以及PCB板叠层厚度、介电常数，并直接导入HFSS中，得到过孔模型如图7所示。

图7 过孔建模

通过仿真可以得出反焊盘半径变化时散射参数S11和S21的变化曲线，图8、图9分别为反焊盘半径为 330 μm、355.6 μm、381 μm、406.4 μm、432 μm 时的S11和S21变化曲线。由图8、图9可知，随着反焊盘半径的增加，反射系数S11愈小，传输系数S21愈大，信号传输最佳。因此，设计过孔时可以通过优化过孔的各种参数来优化信号传输性能。

图8 不同反焊盘的S11参数

图9 不同反焊盘的S21参数

3.3 整个高速互连通路后仿真眼图分析

根据前面提取的微带线、过孔模型结果以及厂商提供的连接器模型，加入驱动端xlinx virtex5 IBIS模型，接收端D/A转换器IBIS模型以及加入激励信号PRBS(伪随机码源)，并设置属性如下：数字0电压V1=0 V；数字1电压V2=2.5 V；信号上升和下降时间tRF=0.01 ns；信号脉冲宽度PW=1.6 ns；随机码初始种子SEED=0。导入Ansoft designer中最终得到整个链路仿真电路图，如图10所示。

图10 高速互连通道仿真电路图

图11 高速互连通道仿真眼图

图12 改善后的眼图

通过运行瞬态仿真并创建眼图，结果如图11所示。从图11可知，经过微带线、连接器、过孔传输通道后，眼圈逐渐闭上，信号抖动比较明显，信号质量逐渐劣化。因此，我们对PCB板进行了优化：高速信号采用差分线设计的同时，当差分线离开IC或连接器时，应尽早靠近在一起走线保持平衡性，这有助于消除反射并抑制共模噪声；互连线改变传输方向时，采用45°拐角或者是弧形拐弯；差分对的两根导线之间的距离应当保持恒定，避免差分阻抗的不连续性；如果走线中过孔不能避免，则尽量优化孔径尺寸、焊盘和反焊盘，使得过孔阻抗与传输线阻抗保持一致，使信号衰减最小；高速信号周围多打接地过孔，使信号有最短的回流路径和最佳的传输性能。选用连接器时，应选用损耗较小的高速连接器。此外，适当的端接策略以及系统中各部分的优化，可以达到信号完整性的优化，解决或降低信号振铃、反射、传输延迟、串扰、噪声等问题。通过一系列的优化，再次仿真得到图12，从图中我们可知，眼圈张开，眼幅度增大，抖动减小，信号质量得到改善。

4 结论

通过对高速互连通道的仿真分析得知，随着信号频率的增加，影响互连的因素越来越多，研究互连对信号完整性的影响也更加复杂[5]。PCB设计者需要更加熟悉高频条件下互连的影响，并且使用更为准确的互连模型、有效的仿真工具和科学的分析方法，才能提高系统工作的可靠性，保证产品一次设计成功。