千兆位设备PCB的信号完好性规划
本文首要评论在千兆位数据传输中需考虑的信号完好性规划问题，一起介绍运用PCB规划东西处理这些问题的办法，如趋肤效应和介质损耗、过孔和衔接器的影响、差分信号及布线考虑、电源分配及EMI操控等。
通讯与计算机技能的高速开展使得高速PCB规划进入了千兆位范畴，新的高速器材运用使得如此高的速率在背板和单板上的长距离传输成为或许，但与此一起，PCB规划中的信号完好性问题(SI)、电源完好性以及电磁兼容方面的问题也愈加杰出。
信号完好性是指信号在信号线上传输的质量，首要问题包括反射、振动、时序、地弹和串扰等。信号完好性差不是由某个单一要素导致，而是板级规划中多种要素一起引起。在千兆位设备的PCB板规划中，一个好的信号完好性规划要求工程师全面考虑器材、传输线互联计划、电源分配以及EMC方面的问题。
高速PCB规划EDA东西现已从单纯的仿真验证开展到规划和验证相结合，协助规划者在规划前期设定规矩以防止过错而不是在规划后期发现问题。跟着数据速率越来越高规划越来越杂乱，高速PCB体系剖析东西变得愈加必要，这些东西包括时序剖析、信号完好性剖析、规划空间参数扫描剖析、EMC规划、电源体系稳定性剖析等。这儿咱们将侧重评论在千兆位设备PCB规划中信号完好性剖析应考虑的一些问题。
高速器材与器材模型
虽然千兆位发送与接纳元器材供给商会供给有关芯片的规划资料，可是器材供给商关于新器材信号完好性的了解也存在一个进程，这样器材供给商给出的规划攻略或许并不老练，还有便是器材供给商给出的规划束缚条件一般都是十分严苛的，对规划工程师来说要满意一切的规划规矩会十分困难。所以就需求信号完好性工程师运用仿真剖析东西对供给商的束缚规矩和实践规划进行剖析，调查和优化元器材挑选、拓扑结构、匹配计划、匹配元器材的值，并终究开宣布确保信号完好性的PCB布局布线规矩。因而，千兆位信号的准确仿真剖析变得十分重要，而器材模型在信号完好性剖析作业中的作用也越来越得到注重。
元器材模型一般包括IBIS模型和Spice模型。因为板级仿真只关怀输出管脚经过互联体系到输入管脚的信号呼应，一起IC厂家不期望走漏器材内部详细的电路信息，且晶体管级Spice模型仿真时刻一般难以忍受，所以IBIS模型在高速PCB规划范畴逐步被越来越多的器材厂家和信号完好性工程师所承受。
关于千兆位设备PCB体系的仿真，工程师常常会对IBIS模型的准确性提出质疑。当器材作业在晶体管的饱满与截止区时，IBIS模型缺少满足详细的信息来描绘，在瞬态呼应的非线性区域，用IBIS模型仿真的成果不能像晶体管级模型那样发生准确的呼应信息。可是，关于ECL类型器材，能够得到和晶体管级模型仿真成果很符合的IBIS模型，原因很简略，ECL驱动器作业在晶体管的线性区域，输出波形更接近于抱负的波形，按IBIS规范能够得到较为准确的IBIS模型。
跟着数据传输速率进步，在ECL技能基础上开展起来的差分器材得到很大开展。LVDS规范和CML等使得千兆位信号传输成为或许。从上面的评论可知，因为电路结构和相应的差分技能运用，IBIS规范依然适用于千兆位体系的规划。已宣布的一些IBIS模型在2.5Gbps LVDS和CML规划中的运用文章也证明了这一点。
因为IBIS模型不适用于描绘有源电路，关于许多有预加剧电路进行损耗补偿的Gbps器材，IBIS模型并不适宜。因而，在千兆位体系规划中，IBIS模型只要在下列状况下才能够有用作业：
1．差分器材作业在放大区(线性V-I曲线)
2．器材没有有源预加剧电路
3．器材有预加剧电路可是没有发动(短的互联体系下发动预加剧功用或许导致更差的成果)
4．器材有无源预加剧电路，可是电路能够从器材的裸片上别离。
数据速率在10Gbps或以上时，输出的波形更像正弦波，这时Spice模型就更适用。
损耗影响
当信号频率升高，传输线上的衰减就不行疏忽。此刻需求考虑由导体串连等效电阻和介质并联等效电导引起的损耗，需运用有损传输线模型进行剖析。
有损传输线等效模型如图1，从图中能够看出，表征损耗的是等效串连电阻R和等效并联电导G。等效串连电阻R是直流电阻和趋肤效应引起的电阻，直流电阻为导体自身的电阻，由导体的物理结构和导体的电阻率决议。当频率升高，趋肤效应开端作用，趋肤效应是当高频信号经过导体时，导体中的信号电流集中于导体外表的现象。在导体内部，沿导体截面信号电流密度呈指数衰减，电流密度减小为本来1/e时的深度叫趋肤深度。频率越高，趋肤深度越小，导致导体的电阻添加。趋肤深度与频率的平方根成反比。
等效并联电导G也称为介质损耗(Dielectric Loss)。在低频时，等效并联电导与介质的体电导率和等效电容有关，而当频率升高时，介质损耗角开端起主导作用。此刻介质电导率由介质损耗角和信号频率决议。
一般来说，当频率小于1GHz时，趋肤效应损耗起首要作用，频率在1GHz以上时，介质损耗占有主导。
在仿真软件中能够设置介电常数、介质损耗角、导体电导率以及截止频率，软件在仿真时会依据传输线的结构考虑趋肤效应与介质损耗的影响。假如仿真衰减，必定要依据信号的带宽设置相应的截止频率，带宽由信号边缘速率决议，许多622MHz信号与2.5GHz信号边缘速率不同不大，别的在有损传输线的模型中也能够看到等效电阻和电导随频率改变而不同。
从图2中可看出，损耗使信号的上升沿变缓，即减小了信号的带宽，而且损耗减小了信号的起伏。从另一方面讲，这关于按捺信号过冲是有长处的。
传输线的串扰也会影响损耗，串扰决议于传输线物理结构、耦合长度、信号强度和边缘速率。在必定长度后串扰会饱满，损耗却不必定添加。
过孔和衔接器的影响
过孔将信号输送到板子的另一侧，板间的笔直金属部分是不行控阻抗，而且从水平方向变为笔直方向的拐点是一个断点，会发生反射，应尽量削减它的呈现(图3)。
在千兆位体系规划仿真中，要考虑过孔的影响，需求有过孔模型。过孔的模型结构为串连电阻R、电感L和并联电容C方法。依据详细运用和精度要求，能够选用多个RLC结构并联的方法，并考虑与其它导体间的耦合，此刻过孔模型便是一个矩阵。
过孔模型的获取有两种办法，一种是经过测验例如经过TDR来取得,另一种能够经过3D的场提取器(Field Solver)依据过孔的物理结构来提取。
过孔模型参数与PCB的资料、叠层、厚度、焊盘/反焊盘尺度、以及与其衔接的连线的衔接方法有关。在仿真软件中，依据精度要求能够设置不同的参数，软件会依据相应的算法提取过孔的模型并在仿真时考虑其影响。
在千兆位体系PCB的规划中尤其要考虑衔接器的影响，现在高速衔接器技能的开展现已能够很好地确保信号传输时阻抗与地平面的连续性，规划中对衔接器的仿真剖析首要选用多线模型。
衔接器多线模型是在三维空间下，考虑管脚间的电感和电容耦合提取出来的模型。衔接器多线模型一般运用三维场提取器提取出RLGC矩阵，一般是Spice模型子电路方法。因为模型结构杂乱，提取和仿真剖析时都需求较长的时刻。在SpecctraQuest软件中，能够把衔接器的Spice模型修改成Espice模型，赋给器材或直接调用，也能够修改成DML格局的封装模型赋给器材运用。
差分信号及布线考虑
差分信号具有抗搅扰强、传输速率高的长处，在千兆位信号传输中，能够更好下降串扰、EMI等的影响，其耦合方法有边缘耦合与上下耦合、松耦合和紧耦合等方法。
边缘耦合与上下耦合比较具有更好下降串扰、布线便利、加工简略等长处，上下耦合更常常运用于布线密度大的PCB 板。紧耦合相关于松耦合具有更好的抗搅扰才能，并能减小串扰，松耦合则可更好操控差分走线阻抗的连续性。
详细的差分走线规矩要依据不同的状况考虑阻抗连续性、损耗、串扰、走线长度差异等的影响。差分线最好用眼图来剖析仿真成果。仿真软件能够设定随机序列码发生眼图，而且能够输入颤动与偏移参数剖析其对眼图的影响。
电源分配与EMC
数据传输速率的进步伴跟着更快的边缘速率，需求在更宽的频带内确保电源稳定性。一个高速体系或许会经过瞬态10A的电流，而且要求电源最大纹波50mV，也便是说要确保必定频率规模内电源分配网路的阻抗在5mΩ以内，例如信号的上升时刻小于0.5ns，要考虑的频宽规模达1.0GHz。
在千兆位体系规划中，要防止同步噪声(SSN)的搅扰，确保电源分配体系在带宽规模内具有较低阻抗。一般在低频段，选用去耦电容下降阻抗，高频段首要考虑电源、地平面散布。图4显现了电源、地平面层考虑去耦电容和没有考虑去耦电容影响时，阻抗改变的频率呼应图。
SpecctraQuest软件能够剖析因为封装结构构成的同步噪声的影响，其间的Power Integrity(PI)软件选用频域剖析电源分配体系，能够有用地剖析去耦电容数量与方位以及电源、地平面的影响作用，协助工程师进行去耦电容挑选以及放置方位、布线和平面散布剖析。
EMC即电磁兼容性，发生的问题包括过量电磁辐射及对电磁辐射敏感性两方面。它发生的首要原因是电路作业频率太高以及布局布线不合理。现在已有进行EMC仿真的软件东西，但EMC的问题能够由许多电磁方面的原因引起，仿真参数和边界条件设置很困难，这将直接影响仿真成果的准确性和实用性。最一般的做法是将操控EMC的各项规划规矩运用在规划的每一环节，实现在规划各环节上的规矩驱动和操控，规划完结测验验证后又能够构成新的规矩运用到新的规划中。
