淺談信號完整性之對稱的重要性

開發(fā)過USB4 連接器的同仁一定會發(fā)現(xiàn)個問題，按照TPYEC GEN2 的方式去開發(fā)無法線性到10GHz，最后在4 個電源pin 每個增加10 nF 電容才滿足信號要求；設(shè)計(jì)高速PCB 時，差分對旁邊的地線斷開，那么測試出來的共模信號就會很大；設(shè)計(jì)連接器的轉(zhuǎn)接板時，如果有一高速信號旁邊的地線PIN 不直接接到，那么信號完整性測試就無法通過。

本文基于以上這些情況，逐個討論，突出高速信號返回地的對稱性設(shè)計(jì)的重要性，給信號完整性工程師以及PCB 設(shè)計(jì)工程師提供下參考。

1 回流路徑（返回地）

電路信號基本可分兩類，低速信號和高速信號，任何信號都會有對應(yīng)的回流路徑，低速信號對應(yīng)的是低頻回路，高速信號對應(yīng)的是高頻回路。這兩者的回流路徑有巨大的差異，低速信號的低頻回路可以沿著實(shí)際的連接線返回，而高速信號的高頻回路則完全不同，它會沿著的高速信號傳輸?shù)穆窂?，在附近的平面或者地線形成自己的回流路徑，不以實(shí)際的連接線返回。^[1] 這時候，為了保證信號傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/完整性">完整性，就要設(shè)計(jì)出與回流路徑重合的地平面，這里本文將此地平面稱為返回地，如圖1。

圖1 高頻回路與低頻回家的返回路徑

2 PCB一高速差分信號的一側(cè)返回地不連續(xù)與連續(xù)實(shí)測結(jié)果對比

實(shí)際項(xiàng)目中碰到一案例，即第一排PCB 最左側(cè)的1對差分線的一側(cè)返回地不直接接地，而是通過焊盤焊接線纜后間接接地，類似跳線做法接地（如圖3 所示），與之對照的下方PCB 的最左側(cè)的那對差分線，則是做成兩側(cè)對稱的設(shè)計(jì)，兩個PCB 焊接同樣的高速線纜，對配同樣的板端連接器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)返回地不對稱設(shè)計(jì)的高速線纜近端串?dāng)_發(fā)生異常，在頻率10 GHz 以內(nèi)有明顯的多個凸起的干擾信號出現(xiàn)，對比下面對稱設(shè)計(jì)的線纜，整個頻段無異常雜信出現(xiàn)；且除了近端串?dāng)_差異大，差模轉(zhuǎn)共模信號差異也特別大，在高頻回路中，共模信號屬干擾信號，作為設(shè)計(jì)者，要盡可能的阻止共模信號過大，差模轉(zhuǎn)共模更是要抑制住。^[2-3]從實(shí)際的測試結(jié)果中，可發(fā)現(xiàn)返回地的不對稱設(shè)計(jì)是造成共模信號的來源之一，而對稱性的返回地設(shè)計(jì)剛好是解決差模轉(zhuǎn)共模的有效方法。

總結(jié)對比結(jié)果，不對稱性返回地的設(shè)計(jì)會導(dǎo)致串?dāng)_大，共模抑制差，設(shè)計(jì)中返回地的設(shè)計(jì)要盡可能做到左右對稱，切記不可為了兼容低頻信號而放棄對稱原則，這將會給高速鏈路帶來極大的壞的影響，甚至可能就因此無法通過系統(tǒng)測試。

3 高速線纜返回地線斷開

現(xiàn)特意找到某案例（如圖2 所示），在焊接制作中，將一側(cè)的地線斷掉，從低頻視角來看，地線雖然斷開，但是可通過PCB 的過孔，高速線纜的鋁箔可以將該地線間接連接起來，所以用萬用表或者開短路測試儀器都是無法測試出開路情況的；然而從高頻視角來看，這差異就大了，高速回流信號走到斷線的地方無法通過時，就會通過繞路或者輻射來形成新的回流路徑，這樣差分對的一根信號線有順暢的回路，而另一根信號線卻沒有，不對稱凸顯，共模噪聲產(chǎn)生。從實(shí)測結(jié)果也可以看到，返回地?cái)嚅_，差模轉(zhuǎn)共模噪聲會明顯高于其他正常信號。這一結(jié)果，進(jìn)一步佐證返回地對稱性設(shè)計(jì)的重要，萬萬不可以低頻信號回路的視角來判定高頻信號回路。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論上的可行性，特意建了兩個PCB 模型進(jìn)行模擬仿真，左側(cè)PCB 最邊上的地線不直接接地，二是通過末端高速線纜的鋁箔來達(dá)成接地，而右邊則是做成對稱性設(shè)計(jì)，直接接地。為了同時驗(yàn)證插入損耗、近端串?dāng)_、差模轉(zhuǎn)共模，特設(shè)置8 個端口，選擇PCB上下對應(yīng)的兩組差分線對。其他諸如仿真的網(wǎng)格數(shù)、PCB 材質(zhì)、導(dǎo)體特征、端口類型等都設(shè)置成一樣。如圖4 所示，（左）間接地，（右）直接地。仿真頻率寬度設(shè)置成40 GHz，這里將紅色虛線結(jié)果來表達(dá)左側(cè)模型間接地的仿真結(jié)果，將藍(lán)色實(shí)線結(jié)果來表達(dá)右側(cè)模型直接地的仿真結(jié)果。

圖4 仿真模型以及仿真結(jié)果

圖5 Type-C板端連接器標(biāo)準(zhǔn)接口定義

圖6 連接電容模型與仿真結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文通過案例的方式，在信號完整性性能方面，將返回地不對稱與返回地對稱進(jìn)行對比，最明顯的差異就是近端串?dāng)_和差模轉(zhuǎn)共模的噪聲大；再通過模擬仿真的方式，將這兩種模型進(jìn)行對比，同時觀察插入損耗、近端串?dāng)_和差模轉(zhuǎn)共模，仿真的結(jié)果與實(shí)測一致。這給我們在高速鏈路設(shè)計(jì)中，要以對稱性為原則，讓返回地盡可能設(shè)計(jì)成直接地的情況，如果實(shí)在條件不允許，則可以考慮添加合適的電容來解決跨層問題，緩解非對稱問題。本文結(jié)論可給信號完整性工程師以及PCB 設(shè)計(jì)工程師對高速信號線的處理方式提供1個設(shè)計(jì)上的參考，不要以常規(guī)電路的方式來看來高速電路，要以高頻回路的理念來處理高速鏈路可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，如本文介紹的返回地線斷開或者不直接接地，用萬用表去量測，他們都是導(dǎo)通的，但涉及到高頻回路，回流路徑就完全不一樣了，從而產(chǎn)生出信號完整性方面的一系列問題。總之，高速電路要講究對稱，特別是返回地的處理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周敏杰.PCIe 5.0 Riser Card線纜方案PCBA設(shè)計(jì)[J].中國科技縱橫,2022(9):55,70.

[2] 謝佳明,金建輝,謝鶴齡,等.功率管高頻驅(qū)動回路參數(shù)優(yōu)化研究[J].自動化儀表,2021,42(10):64-73.

[3] 趙巖,段雄英,廖敏夫,等.基于高頻振蕩回路的激光觸發(fā)真空開關(guān)開斷特性[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,31(21):183-187.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）