差分信號回流路徑的全波電磁場(chǎng)解析

Hspice 是事實(shí)上的Spice 工業(yè)標準仿真軟件，在業(yè)內應用最為廣泛，它具有精度高、仿真功能強大等特點(diǎn)。沒(méi)有提供方便直觀(guān)的界面調入器件模型及電路連接，它使用純文本格式來(lái)描述電路的連接關(guān)系及電路中的各個(gè)模型， 不適合初級用戶(hù)。

在Hspice 仿真主文件test.sp 對完整參考平面(test1)、GND1 平面開(kāi)槽(test3)、GND2平面開(kāi)槽(test4)、GND1 和GND2 平面均開(kāi)槽(test5)四種模型定義同一的源。進(jìn)行時(shí)域仿真比較眼圖。主文件test.sp 的內容如下：

*定義偽隨機碼發(fā)生器

Vin1 in1+ com1 LFSR(-0.1 0.1 0 100p 100p 2.5g 1 [7,6] rout=0)

Vin2 com1 in1- LFSR(-0.1 0.1 0 100p 100p 2.5g 1 [7,6] rout=0)

Vcom1 com1 0 0

*調用模型庫

.include ./TMUX_MID3_test1_fws.lib

.include ./TMUX_MID3_test3_fws.lib

.include ./TMUX_MID3_test4_fws.lib

.include ./TMUX_MID3_test5_A_fws.lib

*調用子電路

Xtest1 in1+ 0 in1- 0 out1+ 0 out1- 0 TMUX_MID3_test1_fws

*終端端接50ohm 的電阻到GND

R1 out1+ 0 50.0

R2 out1- 0 50.0

Xtest3 in1+ 0 in1- 0 out3+ 0 out3- 0 TMUX_MID3_test3_fws

R3 out3+ 0 50.0

R4 out3- 0 50.0

Xtest4 in1+ 0 in1- 0 out4+ 0 out4- 0 TMUX_MID3_test4_fws

R5 out4+ 0 50.0

R6 out4- 0 50.0

Xtest5 in1+ 0 in1- 0 out5+ 0 out5- 0 TMUX_MID3_test5_A_fws

R7 out5+ 0 50.0

R8 out5- 0 50.0

*定義鋸齒電壓波

.param ewidth=800ps ephase=ewidth/4

et1 t1 0 Vol= (TIME - int(TIME/ewidth)*ewidth)

et2 t2 0 Vol= ((TIME+ephase) - int((TIME+ephase)/ewidth)*ewidth)

et3 t3 0 Vol= ((TIME+2*ephase) - int((TIME+2*ephase)/ewidth)*ewidth)

et4 t4 0 Vol= ((TIME+3*ephase) - int((TIME+3*ephase)/ewidth)*ewidth)

rt1 t1 0 1Meg

rt2 t2 0 1Meg

rt3 t3 0 1Meg

rt4 t4 0 1Meg

*瞬態(tài)分析

.Tran 1p 40n start=0n

.end

在Hspice 對主文件test.sp 進(jìn)行仿真分析，生成test.tr0 波形文件，由于在Hspice下看眼圖有回波線(xiàn)如圖28,影響實(shí)際眼圖效果。

圖28 四種情況在Hspice 下進(jìn)行時(shí)域分析的眼圖比較。

為了更清楚的看眼圖的實(shí)際情況，利用Spice explorer 工具來(lái)看test.tr0 文件。如下圖：

圖29四種情況在Hspice 下進(jìn)行時(shí)域分析的眼圖比較

如圖29,進(jìn)行時(shí)域分析和S 參數分析的結論一樣。信號的回流路徑緊貼在鄰近的參考平面上。開(kāi)槽參考平面GND1 對信號質(zhì)量影響大，開(kāi)槽參考平面GND2 對信號質(zhì)量影響小。

開(kāi)槽對于奇模方式幾乎沒(méi)有什么影響，由于奇模情況下的兩個(gè)導體之間存在一個(gè)虛擬的地。

當奇模信號的回路不理想時(shí)，這個(gè)虛擬的地就可以給信號提供一定的參考，繼而可以降低因為非理想回路而造成的對信號質(zhì)量的影響。而耦模分量沒(méi)有虛擬的 地參考回路，在跨越開(kāi)槽區域時(shí)需繞路而行，增加了耦模分量的回流路徑從而造成耦模分量信號質(zhì)量的劣化。對于差分信號跨越開(kāi)槽不能簡(jiǎn)單的說(shuō)：差分信號彼此間 可以提供回流路徑，所以跨越參考平面開(kāi)槽影響不大，這種想法不夠全面。差分傳輸線(xiàn)具有兩種獨特的傳輸方式---奇模方式和耦模方式。

對于跨越開(kāi)槽間隙只能說(shuō)對奇模傳輸方式幾乎沒(méi)有影響，但耦模傳輸方式的影響如同單端信號所受的影響。

建議：

盡管兩根差分信號的奇模傳輸方式可以互為回流路徑，跨開(kāi)槽間隙對耦模傳輸方式會(huì )割斷信號耦模傳輸的回流，同時(shí)跨分割部分的傳輸線(xiàn)會(huì )因為缺少參考平面 而導致阻抗的不連續。由于差分傳輸線(xiàn)具有兩種獨特的傳輸方式---奇模方式和耦模方式。而奇模與偶模的傳輸時(shí)延不一樣，若采用差分信令的差分對因為某些原 因不對稱(chēng)或不平衡，這些因素都會(huì )導致信號出現抖動(dòng)。不要認為差分信號相互提供互為回路路徑，即使跨越分割也不會(huì )對信號傳輸質(zhì)量造成影響。差分信號跨開(kāi)槽間 隙要慎重，根據實(shí)際情況仿真來(lái)確定開(kāi)槽間隙對信號完整性的影響。

以下內容適用于單端信號，也同樣適用于差分信號。

對于非理想回路來(lái)說(shuō)，另一個(gè)影響就是跨溝傳輸的多根信號走線(xiàn)之間將具有很高的耦合系數。其耦合的機理是源于溝壑本身：能量被耦合到開(kāi)槽里，然后通過(guò) 開(kāi)槽線(xiàn)(slotline)的模式傳到其它走線(xiàn)上。開(kāi)槽線(xiàn)也是一種傳輸線(xiàn)，在這種模式下，開(kāi)槽兩邊的導體之間會(huì )形成場(chǎng)。由驅動(dòng)的角度來(lái)看，回路的不連續可 以看作是串聯(lián)了一個(gè)電感。如果回路繞過(guò)的距離比較小，那么由于感性濾波的作用，信號的上升沿會(huì )有一定的衰僐;而如果回路繞過(guò)的距離比較大，那么信號的上升 沿將會(huì )出現臺階現象。需要注意的是，在處理高速信號的時(shí)候，永遠不要讓兩根或以上的走線(xiàn)同時(shí)跨越參考平面的溝壑，盡可能保證信號走線(xiàn)下面的參考平面的連續 性。有時(shí)候跨溝現象是不可避免的，比如在有些設計中，走線(xiàn)必須經(jīng)過(guò)封裝的抽氣孔(degassing holes)或者過(guò)孔反焊盤(pán)(anti-pad)區域的上方。如果信號跨溝是不可避免的，那么在跨溝處信號線(xiàn)的兩側放置一些去耦電容可以降低影響，因為這 些電容可以為信號的回路供了一個(gè)交流的通路。雖然提供這樣的交流短路電容可以顯著(zhù)的縮短溝壑的(有效)長(cháng)度，但是實(shí)際上往往是不可能在總線(xiàn)的每根走線(xiàn)之間 都放置這樣的電容。通過(guò)分析了信號走線(xiàn)跨越地平面溝壑的情況，可以得出一些關(guān)于參考平面開(kāi)槽的非理想回流路徑的大致結論。

●非理想回路呈現出感性的不連續性。

● 非理想回路將慮掉信號中的一些高頻分量，從而延緩了信號的邊沿速率。

● 如果回路的繞過(guò)的路徑較長(cháng)，這種非理想的回路將在接收端產(chǎn)生一些SI 的問(wèn)題。

● 非理想回路增加了回路的面積，繼而產(chǎn)生一些EMI 問(wèn)題。

●非理想回路將顯著(zhù)地增大跨溝信號之間的耦合系數。

那么，在PCB 設計時(shí)，信號回流和跨分割的處理：

1.根據上面分析可以知道，輻射強度是和回路面積成正比的，就是說(shuō)回流需要走的路徑越長(cháng)，形成的環(huán)越大，它對外輻射的干擾也越大，所以，PCB 布板的時(shí)候要盡可能僐小電源回路和信號回路面積。

2. 對于一個(gè)高速信號來(lái)說(shuō)，提供好的信號回流可以保證它的信號質(zhì)量，這是因為PCB 上傳輸線(xiàn)的特征阻抗一般是以地層或電源層為參考來(lái)計算的，如果高速線(xiàn)附近有連續的地平面，這樣這條線(xiàn)的阻抗就能保持連續，如果有某段線(xiàn)附近沒(méi)有了地參考， 這樣阻抗就會(huì )發(fā)生變化，不連續的阻抗從而會(huì )影響到信號的完整性。所以布線(xiàn)的時(shí)候要把高速線(xiàn)分配到靠近地平面的層，或者高速線(xiàn)旁邊并行走一兩條地線(xiàn)，起到屏 蔽和就近提供回流的功能。

3.布線(xiàn)時(shí)盡量不要跨電源分割，因為信號跨越了不同的電源層后，它的回流途徑就會(huì )變長(cháng)，容易受到干擾。當然，不是所有的信號都不能跨越分割，對于低速信號是可以的，因為產(chǎn)生的干擾相比信號可以不予關(guān)心。對于高速信號就要嚴格些，盡量不要跨越。