SI-list高速信号参考电源层的基础研究
高速信号参考层电源的基础研究
原创 2016-02-23 张伟 shark4685
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。
1参考电源层的回流路径
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:
图1 信号回流路径
由上图可见，当高速信号在信号线上传播时，在信号电流向前传播的过程当中，由于与参考平面之间存在容性耦合，所以当发生dV/dt时，就会有电流经耦合电容流向参考平面的现象，传输线正下方位置都会有瞬态电流流回到源端电路。如果信号的参考为电源平面，那么信号回流将首先流向电源层，然后再通过电源与地网络之间的Cpg流向地网络，最后再经地层流向源端电路，最终形成一个完整的电流回路。我们都知道，控制好高速信号的回路阻抗非常关键，因为它直接影响到信号传输特性。
当信号参考电源层布线时，回流路径当中对信号影响最大的就是Cpg电源与地网络之间的容性通道。它可以是电源地网络上分布复杂的退耦电容，也可能包含电源地层平面之间的平板电容，构成非常复杂，在各个频点所表现的阻抗特性都不一样，难以量化与控制。所以不建议高速信号参考电源。
那么究竟有多大影响，下面通过仿真软件来帮忙我们看看具体信号传输差异的情况。
2参考电源层的仿真分析
2.1 基础研究模型的建立
有了以上理论了解之后，接下来通过仿真技术协助研究，到底参考电源层会跟信号传输带来怎样的影响?
为了说明问题，把模型简单化，这里利用板级仿真工具SIwave的自行建模功能（也可通过版图工具画一个类似PCB走线再导入）建立一个简单的10X10四层PCB, 叠层分布为SIG/GND/PWR/SIG，第二层全部为地，第三层电源平面为一小块不规则平面，如下图，并布置两根传输线，一根为表层走线，此案例中，它属于完全参考地层平面的微带线，一根为表层走线经过孔到底层走线的微带线，属于部分参考地层又部分参考电源层的走线。即建立了我们需要研究的参考电源的信号模型。如图2所示：
图2 简单的四层PCB模型
2.2 回流仿真分析
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。
图 3 信号回流分布图
2.3 频域S参数分析
通过对两条传输线建立端口，然后利用SIwave的HFSS 3D Layout（超高频段，还是HFSS精度更让人放心，并且3D layout在模型编辑便捷性及求解效率方面提升很多，不用再在HFSS里面纠结波端口/集总端口的建立）进行SYZ参数分析之后观察两者之间的插入损耗S21的差异， 如图5
图4 HFSS 3d layout自动建立的三维模型
图5 两条传输线的S21曲线
通过观察S21 曲线，可知在1GHz以下两种走线的传输差异并不太大（这里的频率是指单频点正余炫波，而非方波/时钟频率）。频率越高，S21 差异相对越大，尤其是在突点尖峰频率。为什么会有这些尖峰?实际上是来源于电源地平面之间在尖峰频点的谐振，当回流流经这些谐振频点时，自然会有较大的能量损耗。通过SIwave的谐振分析功能也可进一步验证这一论点，如下图6，SIwave分析得到的谐振频点，尖峰频点基本都在其中。
图6 SIwave的谐振分析结果
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
图7 Designer建立的时域仿真电路
完成仿真之后，观察10Gbps信号传输眼图 ，如图8，可以发现参考电源层的传输线，接收眼图的眼睛张开程度已经变得更小，并且眼皮也更粗，抖动加大，如果添加信号源抖动，或信号线再长一些，再经过连接器或过孔或封装这些阻抗不连续互连结构，那么很有可能就会出现信号完整性问题。随着频率的下降，两者传输信号的质量差异也在逐渐减小，如下面5Gbps和1Gbps信号眼图。
图8 传输10Gbps信号的眼图差异
图9 传输5Gbps信号的眼图差异
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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