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高速数据速率系统的信号完整性解读

旌旗灯号完备性是许多设计职员在高速数字电路设计中涉及的主要主题之一。旌旗灯号完备性涉及数字旌旗灯号波形的质量下降和时序偏差,由于旌旗灯号从发射器传输到接管器会经由过程封装布局、PCB走线、通孔、柔性电缆连接器等互连路径。

当今的高速总线设计如LpDDR4x、USB 3.2 Gen1 / 2(5Gbps / 10Gbps)、USB3.2x2(2x10Gbps)、PCIe和即将到来的USB4.0(2x20Gbps)在高频数据从发送器流向接管器时会发生旌旗灯号衰减。本文将概述高速数据速度系统的旌旗灯号完备性根基常识和集肤效应、阻抗匹配、特点阻抗、反射等关键问题。

跟着硅节点采纳10nm、7nm以致5nm工艺,这可以在给定的芯片尺寸下实现高集成度并增添功能。在移动利用中,趋势是更高的频率和更高的数据速度,并低落事情核心电压如0.9v、0.8V、0.56V以致更低以优化功耗。

在较低的事情电压下以较高的频率事情会使阈值电平或给定位数据的数据有效窗口变小,从而影响走线和电源层分配功率以及“眼图”的闭合度。

由较高频率和较低事情电压引起的闭眼,增添了数据传输偏差的时机,因而增添了误码率,这就必要从新传输数据流。重传会导致处置惩罚器在较长光阴处于有源模式以重传数据流,这会导致移动利用更高的功耗并削减应用日(DOU)。

图1. 频率和较低电压对眼图伸开的影响

在给定的高频设计中增添其它设计寻衅如旌旗灯号衰减、反射、阻抗匹配、哆嗦等时,很显着,旌旗灯号损耗使接管器难以精确译出信息,从而增添了偏差的时机。

数据流中的时钟采样

在接管器处,数据是在参考时钟的边缘处采样的。眼图伸开越大年夜,就越轻易将采样CLK设置在给定位的中心以采样数据。任何幅值衰减、反射或任何哆嗦,都将使眼图更闭合并使数据有效窗口和有效位光阴变得更窄,从而导致接管端呈现偏差。

图2. CLK采样

现在,让我们反省何时必要将通道或互连视为传输线,并查看在智妙手机或平板电脑等系统中传输损耗的一些主要缘故原由。

高频和传输线

低频设计是指波长弘远年夜于线长度且PCB走线和互连的电阻与频率无关,是以传输线的影响可以轻忽不计。高频设计是指波长远小于线长度且走线的所有物理特点和互连尺寸都必要节制,以便具有一系列电气特点的传输线可用于给定利用。

我们将互连视为传输线的时刻是在最高频率下事情时,走线长度可能跨越该频率波长的1/10。此时,我们必要应用集总元件对走线建模,并斟酌所有频率相关元件,包括寄生电容电感及其对旌旗灯号衰减的影响。

另一种确定在什么频率下将互连线视为传输线的措施是斟酌旌旗灯号的上升光阴(tr)。

在大年夜多半纳米工艺节点中,高数据速度旌旗灯号具有急剧的上升/下降光阴,这要求将通道或任何互连视为传输线。当这些旌旗灯号经由过程信道传播时,其带宽和传输受给定的旌旗灯号上升光阴节制。

传输速率

电旌旗灯号是电磁波,其传输速率取决于其周围材料的介电常数。传输速率的公式是

图3. 传输线上的波速

自由空间(介电常数为1)无损传输的波速约为3 x 108 m / s,不合于介电常数为4的传输线的波速,后者导致波速低落一半或1.5 x 108m / s。在自由空间比较在PCB传输的波速差异将导致称为传播延迟(Td)的光阴延迟,Td取决于传播的序言和旌旗灯号必须传播的间隔。

Td(传播延迟)=传播间隔/ Vp(传输速率)

现在,当一个旌旗灯号(CLK)在外层传播而另一旌旗灯号(Data)在内层传播时,若我们在一侧具有自由空间而在另一侧具有介电常数时,环境会如何呢?

在许多设计中,高频旌旗灯号必须以互连电缆或挠性电缆作为传输路径的一部分,这会对幅值和时序波形孕育发生延迟和误差。因为旌旗灯号速率低落、串扰或介电材料接受的任何能量而导致的时序误差或任何其它损耗都邑同时孕育发生称为哆嗦的时序和幅值误差。

图4. 哆嗦

在这里,设计职员必须匹配一系列旌旗灯号之间的飞行光阴。因为内层的DATA旌旗灯号将传播得较慢,是以我们必须减小DATA旌旗灯号的长度以匹配CLK旌旗灯号的飞行光阴。

集肤效应

假如我们查看称为C1的给定导体的 一部分并经由过程它发送电流I(t),根据安培定律,将会孕育发生与经由过程导体的电流成比例的磁通量。假如我们仅斟酌一个导体,相近没有其它导体,那么通量线(B1)将在导体C1中沿与磁场B1相反的偏向孕育发生轮回涡流。

图5. 趋附效应引起的电流从新散播

跟着频率增添,集肤效应将电流限定在导体厚度的较小部分,从而增添了有效电阻和响应的损耗。

图6. 因为频率和走线路径造成的旌旗灯号丧掉

传输线和特性阻抗Zo

传输线上的电压和电流一路传播,并且是位置(x)和光阴(t)的函数。传输线的特性阻抗(Zo)是与频率相关的电阻,是传输的电压波与传输的电流波之比:

图7. 传输线中的电压和电流

当电压V(x,t)和电流I(x,t)一路传播并达到端接阻抗时,欧姆定律要求V(x,t)/I(x,t)即是端接阻抗 (ZL)。

图8. 匹配Zo和ZL

当高频旌旗灯号经由过程PCB中的路径,经由过程或改变其从一层到另一层的路径时,阻抗将发生变更。察看给定的PCB,我们可以看到有很多层、走线、通孔、连接,阻抗在任何给定点处都在变更,且自电容、互电容、自电感和互电感会孕育发生寄生效应。

图9. PCB层和阻抗变更

现在,让我们引入一些集总元件,如寄生电感、电容、交流集肤电阻、直流电阻,它们存在于任何系统中。可以看出,例如寄生电容(Cdx)若何改变电飘泊布,从而导致传输线的特性阻抗发生变更,并使Zo(传输电压与传输电流之比)发生变更。

图10. 含集总元件的传输线

跟着集肤效应低落传入旌旗灯号的幅值,寄生电感两真个电压会低落负载两端电压的上升和下降光阴,从而影响旌旗灯号质量和使旌旗灯号衰减。

图11. 寄生效应对Zo和旌旗灯号完备性的影响

电压反射系数

当高频旌旗灯号经由过程不合的路径、通孔或改变其从一层到另一层的路径时,阻抗将发生变更。节制这些寄生旌旗灯号并精确端接传输线,我们可以以最小的掉真传输旌旗灯号。

当终端阻抗(ZL)不即是线路的特性阻抗(Zo)时,必须有一对反射电压和电流波,并且该反射旌旗灯号将覆盖在源旌旗灯号上,导致掉真。

请留意,当负载终端(ZL)即是传输线的特性阻抗(Zo)时,电压反射系数即是零。这注解所有入射波都被匹配的负载终端接受。

当电压波和电流波一路传播并达到端接阻抗时,总入射波加上V / I的任何反射波必须即是端接阻抗(ZL)。

图12. 入射波和反射波

阻抗不匹配和反射

斟酌一条50欧姆的传输线,端接150欧姆的端接电阻或一个过阻尼电路。为简单起见,我们将电池的阻抗设置为0,这会将反射波强制返回负载。此外,设置波传播给定长度的光阴延迟(td =间隔/ Vp)。现在,让我们关闭开关(s),看看负载发生了什么。

图13. 继续反射波序列

源和终端阻抗之间往返的继续反射波会导致旌旗灯号覆盖在源旌旗灯号上,并在旌旗灯号线上孕育发生振铃。

图14. 反射引起的振铃

在谋略终端和源的反射系数时,我们可以得出到达终真个入射波量加上反射回源的反射波量。图14中具有较大年夜电压的过冲振铃会给器件施加更多的辐射而使其过应力,并在相邻走线之间孕育发生更多的串扰。另一方面,由振铃或瞬态相应时代电压轨下降引起的下冲都将增添更高的误码率。

带转接驱动器和不带转接驱动器的系统

对付某些移动利用,如应用10Gbps数据速度的USB 3.1 Gen 2的移动利用,总损耗预算以dB为单位,包括所有互连通道损耗。损耗预算包括从硅到连接器的路径中的任何损耗,如硅封装、PCB走线、通孔、柔性、共模滤波器和连接器。

为了USB Type-C Gen 2系统维持好的旌旗灯号质量而又不限定PCB的尺寸和设备的位置,转接驱动器是最具性价比的规划。

斟酌到像智妙手机或平板电脑这样的系统,可以将其视为高频数字旌旗灯号从APP处置惩罚器封装和引脚、PCB走线、通孔、连接器、柔性电缆和USB连接器传输而来,这些高数据速度旌旗灯号可能在经由过程1m电缆之前就衰减。

图15. 范例旌旗灯号路径及旌旗灯号衰减

当旌旗灯号经由过程信道传播时,旌旗灯号的幅值会衰减,且取决于信道的长度,这种衰减可能足以导致在高数据速度下呈现旌旗灯号完备性问题。

转接驱动器作为旌旗灯号调节器件,可以规复在给定通道上已有损耗的旌旗灯号,它可以增强规复的旌旗灯号的输出,从而容许该旌旗灯号传播更长的间隔和开眼以低落误码率。

图16. 应用转接驱动器

具有可编程差分输出电压的转接驱动器确保驱动强度与线路阻抗、走线长度维持同等,并均衡旌旗灯号和办理旌旗灯号完备性问题。请记着,增添驱动器的差分输出电压将有助于改良接管旌旗灯号,但同时也会增添噪声和哆嗦。

总结

维持可吸收的旌旗灯号完备性,必要注重集肤效应、匹配的端接、反射、通孔、串扰、耦合及其对旌旗灯号衰减的影响。

当走线的长度约为旌旗灯号波长的1/10时,任何互连都应视为传输线。

影响旌旗灯号完备性的身分,如信道损耗和由阻抗掉配引起的旌旗灯号反射,发生在数据从处置惩罚器经由过程PCB、通孔、柔性电缆或从PCB、通孔、柔性电缆到处置惩罚器的任何传输历程中。

在全部旌旗灯号路径中维持阻抗匹配对付接口至关紧张,以防止反射并供给最大年夜的功率传输。任何阻抗掉配都邑在线路上引起反射,增添哆嗦并可能侵害旌旗灯号质量。

假如没有转接驱动器,将很难或险些弗成能在数据速度> 10Gbps经由过程系统电气和协议同等性测试。在不应用转接驱动器进行短通道和长通道测试时,具有较高数据速度的给定旌旗灯号的总传输通道间隔可能会受到限定,并且不合设备之间的互操作性时机会低落。

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