高速 SerDes 應用中的信號完整性實用指南，第 2 部分

在第 1 部分中，我們探討了管理高速 SerDes 通道的基本特征。本文重點討論需要額外分析、建模和補償?shù)默F(xiàn)實問題，例如寄生效應和阻抗失配。

本系列第一部分中描述的簡單情況在實際應用中很少見。當高頻信號通過非理想路徑(例如 PCB 通孔)時，事情會變得更加復雜，PCB 通孔充當從 PCB 一層到另一層的導體，從而產(chǎn)生阻抗變化。

圖 1展示了 PCB 中常見的層、走線和過孔。除了每次轉(zhuǎn)換時的阻抗變化外，信號還受到自電容和互電容和電感的寄生效應的影響。

圖 1這些是 PCB 中常見的層、走線和過孔。

對于許多應用，我們可以使用稱為“集總元件”的技術創(chuàng)建一個模型來解釋這些影響，該技術試圖捕獲任何系統(tǒng)中存在的組合寄生電感、電容、交流皮膚電阻和直流電阻(圖 2))。寄生電容 (Cdx) 可以改變通道的電流分布，從而導致傳輸線的特性阻抗發(fā)生變化，進而導致 Zo(行進電壓與行進電流之比)發(fā)生變化。

圖 2集總元件技術試圖捕獲組合的寄生電感、電容、交流皮膚電阻和直流電阻。

圖 3說明了當集膚效應降低輸入信號的幅度時，通道中存在的寄生電感如何降低負載兩端電壓的上升和下降時間。除非以某種方式得到補償，否則這些寄生效應會降低接收器電路準確重建時鐘和數(shù)據(jù)信號所需的銳邊。

圖 3寄生效應會降低時鐘和數(shù)據(jù)信號的銳邊沿。

電壓反射系數(shù)

當高頻信號在不同通道元件之間傳遞時，例如從 PCB 走線到過孔，然后返回到不同 PCB 層上的走線，每次轉(zhuǎn)換時的阻抗都會發(fā)生變化。通過控制這些寄生效應并正確端接傳輸線，它可以以最小的失真?zhèn)鬏斝盘枴?

當終端阻抗(ZL)不等于線路的特性阻抗(Zo)時，會產(chǎn)生一對反射電壓和電流波，與源信號結(jié)合，從而使信號失真。

公式1

注意，當ZL等于Zo時，電壓反射系數(shù)為零。這表明所有的入射波都被匹配的負載終端吸收(即所有傳輸?shù)哪芰慷急唤邮?。當信號的電壓波和電流波以適當?shù)南辔魂P系一起傳播并到達終端阻抗時，總?cè)肷洳由?V/I 的任何反射波必須等于 ZL。

圖 4當信號的電壓波和電流波一起傳播并以適當?shù)南辔魂P系到達終端阻抗時，總?cè)肷洳由?V/I 的任何反射波必須等于 ZL。

阻抗失配和反射

為了了解阻抗匹配和失配的影響，我們考慮一條 50 歐姆傳輸線，其端接為 150 歐姆終端阻抗或過阻尼電路(圖 5)。為了簡單起見，我們將電池的阻抗設置為零，這將反射波驅(qū)動回負載。對于此示例，我們設置波傳播給定長度的時間延遲 (td=距離/Vp)?，F(xiàn)在，讓我們關閉開關，看看負載上會發(fā)生什么。

圖 5查看一系列連續(xù)的反射波將有助于我們了解阻抗匹配和不匹配的影響。

圖 6中的波形說明了源與終端阻抗之間的連續(xù)反射所生成的一系列波如何與源信號結(jié)合并降低源信號的質(zhì)量，同時還在信號線上產(chǎn)生振鈴。

圖6波形顯示反射引起振鈴。

當計算終端和源處的反射系數(shù)時，我們可以確定到達終端的入射波的數(shù)量，以及將反射回源的波的幅度。

了解這些值非常重要，因為過沖振鈴會產(chǎn)生更高的電壓，從而可能使電子設備過載，或者產(chǎn)生更多的輻射，從而在相鄰走線之間產(chǎn)生更多的串擾。下沖可能是由瞬態(tài)響應期間的振鈴或電壓軌下降引起的。其中任何一個都會增加信道出現(xiàn)較高誤碼率的可能性。

轉(zhuǎn)接司機

對于許多移動應用來說，以 dB 為單位計算的總損耗預算結(jié)合了所有互連通道損耗，可以成為理解設計的寶貴工具。損耗預算包括從硅到連接器的路徑中的所有內(nèi)容，例如硅封裝、PCB 走線、過孔、柔性線路、共模濾波器和連接器。在此示例中，我們將使用 USB 3.1 Gen 2 通道，運行速度為 10 Gbps。

為了在不限制 PCB 尺寸和器件布局的情況下保持良好的信號質(zhì)量，采用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器來增強必須穿過長通道的信號是最具成本效益的解決方案。在智能手機或平板電腦等典型應用中，高 USB 連接的高速信號從 APP 處理器的封裝和引腳傳輸?shù)?PCB 走線，然后通過過孔、連接器、柔性電纜和 USB 連接器(每個連接器)。其自身的阻抗不匹配。因此，信號在通過外部 USB 電纜之前可能已經(jīng)降級。

圖 7該圖顯示了典型的信號路徑和信號衰減。

當信號通過通道傳播時，它們會經(jīng)歷衰減，并且根據(jù)通道的長度，衰減可能足夠大，導致高數(shù)據(jù)速率下的信號完整性問題。這種類型的損失通常可以通過再驅(qū)動器來補償，再驅(qū)動器是一種信號放大器/調(diào)節(jié)設備，可以恢復變得太弱的信號。通過提高信號幅度并銳化其上升沿和下降沿，它可以使其傳播得更遠，并通過打開眼圖來降低誤碼率。

圖 8使用轉(zhuǎn)接驅(qū)動器可以改善眼圖的張開度。

轉(zhuǎn)接驅(qū)動器通常配備可編程差分輸出電壓電平，有助于使驅(qū)動強度與線路阻抗和走線長度保持一致，并均衡信號。但請記住，雖然增加驅(qū)動器的差分輸出電壓幅度將有助于改善接收信號，但它也會增加噪聲和抖動。

保持可接受的信號完整性需要仔細注意集膚效應、匹配終端、反射、過孔、串擾、耦合及其對信號衰減的影響。當走線長度約為信號波長的 1/10 時，任何互連都應被視為傳輸線。

影響信號完整性的因素，例如通道損耗和阻抗失配引起的信號反射，會在從處理器通過 PCB、通孔、柔性電纜到電纜的任何數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生，反之亦然。對于接口而言，在整個信號路徑中保持阻抗匹配至關重要，以防止反射并提供最大功率傳輸。任何阻抗不匹配都會導致線路反射，從而增加抖動并可能損害信號質(zhì)量。

如果沒有轉(zhuǎn)接驅(qū)動器，則很難或幾乎不可能以 >10 Gbps 的數(shù)據(jù)速率通過系統(tǒng)電氣和協(xié)議合規(guī)性測試。當在沒有轉(zhuǎn)接驅(qū)動器的情況下進行短通道和長通道測試時，具有高數(shù)據(jù)速率的給定信號的總傳輸通道距離可能會受到限制，不同設備之間的互操作性機會較低。