SI-list【中国】高速信号参考电源层的基础研究

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高速信号参考层的基础研究

前言

      大多数layout工程师以及SI/硬件工程师都知道, 信号除了不能跨分割层布线之外，一般还不容许参考电源层布线的(当然，这里指的高速高频信号)，为什么不能参考电源层？究竟会带来多大影响？如果叠层空间限制的情况下可以容许哪些信号参考电源？针对这些问题，本篇将结合ANSYS/Ansoft仿真软件进行理论及仿真方法介绍。
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1参考电源层的回流路径
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& _& ^6 ^  h& [0 H      首先，从信号回流路径的角度开始基本理论的回顾。一个简单四层PCB信号通过过孔换层参考电源，其信号的回流路径如图1 示意:



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图2 简单的四层PCB模型

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- W% }1 m- n- z* I4 `2.2 回流仿真分析
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     通过SIwave2014以上版本的AC CURRENTS 功能可以进行信号回流路径的仿真分析，只需要在两条传输线两端分别添加相应频率的信号源和负载，即可仿真得到信号源传输时，各个平面层上的电流分别情况。如图3所示，显示为地层的电流分布，跟前面理论分析结论非常一致。完全参考地层的传输线，回流路径主要集中在走线正下方，而参考电源层的信号回流会经电源地耦合到地层上，所以在电源与地层重叠的地方分布，不同频点的回流分布也不尽相同，这势必会影响信号传送质量，同时也可能对外界电路造成干扰。

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图4 HFSS 3d layout自动建立的三维模型

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图6 SIwave的谐振分析结果

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         实际上，观察频域曲线差异并不是很直观，因为它们比较的是单频点的传送差异，而通常我们传输的是宽频带的类方波信号，所以在时域上进行波形的对比验证才是最关键的，也是最直观的。下面通过designer软件导入两条传输线的S参数模型，然后分别施加同样的理想信号源以及50ohm的负载端接，进行时域上的眼图分析，如图7建立仿真电路，观察不同传输频率情况下的差异

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图8 传输10Gbps信号的眼图差异

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图10 传输1Gbps信号的眼图差异

       综上所述，信号参考电源层会跟信号质量带来影响，电源地层之间的阻抗会是影响的主要因素，信号频率越高，带来的影响会越明显。当然也不是所有信号都不能参考电源，具体多少频率什么信号可以参考电源，要看实际layout以及PDN网络的实际情况，最好能利用仿真软件进行分析验证。出于理论分析方便，此篇建立的案例模型比较简单，仿真结果主要作对比分析之用，不可作为实际工程的判定参考。


（由于作者的知识水平有限，错误在所难免，谢谢指正）
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