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信號包地線處理不好,反而會使信號變得更差?

硬件攻城獅 ? 來源:Sig008 ? 作者:Sig008 ? 2022-09-22 14:11 ? 次閱讀

信號包地目的有兩種,一是包地線負責回流,二是負責隔離,也就是防止串擾。

但是有時候包地線處理不好,反而會使信號變得更差。

對于如下結構,DDR4的DQ信號之間為了防止彼此串擾,用了包地線;

ab70b582-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

下面我們來看一下,不考慮鄰近的信號線和包地線,單根信號線上的信號:

aba041da-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

信號為點對點結構,接收端內部ODT端接,信號質量還是比較良好的;

接下來看一下,沒有包地線,考慮鄰近的信號串擾后波形如下,注意未進行包地處理時,信號線間距為3倍線寬:

abb0640c-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

abc57f18-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

考慮兩側都有攻擊線串擾時,波形如下:

abd69d34-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

可以看到,信號間距為3倍線寬時,串擾會有一定影響,但是只要端接良好,當前結構中串擾不構成本質影響;

將信號間距調整為1倍間距時,波形如下:

abe17d26-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

此時,由于信號線間距比較近了,串擾影響已經非常大了,此時不能忽略;

那么可以用哪些措施解決呢,首先要保證良好的端接,其次我們來對比一下,信號上升時間對串擾的影響:

abef6ec2-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

ac1ce2e4-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

通過對比,可以知道,在時序允許的條件下,選取上升邊沿較緩的驅動,串擾更小;

下面對比,傳輸線耦合長度:

ac2790c2-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

ac312ace-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

通過對比發現,耦合長度(平行走線長度)越長,串擾越大;

綜上發現,信號線間距、信號線耦合長度、信號上升時間,這些因素對于串擾的影響,某些情況下,串擾并不構成本質影響,當然是否良好端接也至關重要。

---------------------------------------------------------------------------------------------------

下面我們就來看一下,在線間距為3倍線寬的信號線間加入包地線后的影響。

給我們的直觀印象是,中間插入的是GND,無論如何,總比什么也沒有好,如果存在這種印象,就說明對信號如何在傳輸線中傳輸不夠清晰。

對于微帶線而言,他的電磁場和電流分布如下:

ac3e9fec-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

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而對于電流分布仿真時,軟件并不關心傳輸路徑和參考路徑的電氣網絡是什么,這也就是說,微帶線這種物理結構本身就為信號在其中傳播提供了物理環境,這當然是因為,兩個導體中間存在互容、互感,因此在參考路徑中耦合出了返回電流,也因此,信號可以在其中傳播。

而對于臨近傳輸線而言,他們之間也存在互容、互感,如下圖,也因此他們之間必然有耦合電流,而攻擊線的耦合電流一旦進入鄰近的傳輸線(受害線),那么它在受害線中就進行傳播,和受害線本身的信號疊加,從而干擾信號,這就是串擾,正如上邊所說,傳輸線這種物理結構本身就是導致串擾和信號傳播的物理結構,即便他是GND。

ac5b3666-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

臨近線之間耦合出來的電流

回到最開始的PCB包地結構,我們不難發現,包地線本身構成了信號的傳輸路徑和串擾的耦合路徑;

ac6317be-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

也就是說,原來線間距為3倍線寬,加入包地線之后,變成了1倍線寬,這似乎說明包地線注定要導致信號串擾變大。

先別急著下結論,歷史是經得住考驗的,我們進一步探究根源。

還有一點我們沒有考慮,那就是,我們說過,信號的端接也至關重要,信號線傳輸到接收端之后有ODT端接(比如50 Ohm),而包地線傳輸到末端后,經過過孔回到GND中,也就是端接電阻近似為0 Ohm,這樣的話,在這里就會產生負反射,回到原端之后,同樣是0 Ohm的負反射,因此信號在包地線上來回反射,再持續反過來影響傳輸線。

我們先來仿真觀察,當攻擊線上驅動一個上升跳變邊沿時,在包地線上耦合出了如下串擾信號,注意,此時對包地線特別做了50 Ohm端接。

ac8e3c00-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

下面,將包地線的端接去掉,改換成0 Ohm,再來觀察:

acbc1742-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

串擾開始震蕩,這就是串擾在包地線上來回反射的結果;

我們再來對比沒有包地線、包地線端接、包地線沒有端接時的受害線串擾量和信號眼圖:

accc14bc-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

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沒有包地線

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包地線端接

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包地線兩端接地

通過串擾和眼圖對比發現,包地線引入的串擾,不容忽視,而實際中的包地線就是兩端接地的,那么怎么辦的,還能包地么?

對于這種情況,可以在包地線中繼續打地孔,減小地孔之間的距離,從而提高包地線結構的諧振頻率,使其對當前信號不構成影響。

當前結構,包地線為2000 mil,在包地線中間加一個地孔,觀察眼圖:

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ad31b1aa-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

在此基礎上,進一步在包地線中平均的加入地孔后,眼圖如下:

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ad552af4-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

孔間距為500mil

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孔間距為200mil

ad6b79ee-3a3c-11ed-9e49-dac502259ad0.png

孔間距為100mil

結論:

1、信號之間的串擾和信號本身的端接有關,做好自身端接,有助于減小串擾;

2、串擾大小和信號線間距、傳輸線耦合長度、信號本身邊沿陡峭程度有關,可

以從這幾點入手減小串擾;

3、注意,包地線也是傳輸線結構,信號同樣能夠耦合到包地線中,而包地線是沒

有端接的;

4、如需包地,注意包地線和信號線之間的距離,距離越近,包地線和傳輸線的耦

合越大,由于包地線處理不妥善引起的串擾也越大;

5、包地線兩個地孔之間的距離和引起諧振的頻率相關,距離越大,其長度對應諧

振頻率的波長也越大,通過減小地孔間距使諧振頻率向高頻移動,減小當前諧

振,減小包地線引起的串擾;

6、包地線的地孔距離大概是信號包含最高頻率對應波長的1/10左右時,基本可以

抵消包地線引起的反射震蕩;

7、全面評估是否需要包地,如需包地,確保包地線的地孔數量和地孔間距;

8、還有一個注意點,就是在包地線上打了很多地孔后,還要注意包地線的兩端是

否在最終端打了地孔,此處的stub長度不要忽略。

審核編輯 :李倩

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原文標題:信號包地反而更差?

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