信號參考電源層的仿真分析(20210205215814)

1、大多數(shù)layout工程師以及SI/硬件工程師都知道，信號除了不能跨分割層布線之 外，一般還不容許參考電源層布線的（當然，這里指的高速高頻信號），為什么不 能參考電源層？究竟會帶來多大影響？如果疊層空間限制的情況下可以容許哪 些信號參考電源？針對這些問題，本篇將結合ANSYS/Ansoft仿真軟件進行理論 及仿真方法介紹。1參考電源層的回流路徑首先，從信號回流路徑的角度開始基本理論的回顧。一個簡單四層PCB信號通過過孔換層參考電源，具信號的回流路徑如圖 1示意：GNDPOWER圖1信號回流路徑由上圖可見，當高速信號在信號線上傳播時，在信號電流向前傳播的過程當中，由于與參考平面之間存在容性耦合，所

2、以當發(fā)生 dV/dt時，就會有電流經耦 合電容流向參考平面的現(xiàn)象，傳輸線正下方位置都會有瞬態(tài)電流流回到源端電路。如果信號的參考為電源平面，那么信號回流將首先流向電源層，然后再通過電源 與地網(wǎng)絡之間的Cpg流向地網(wǎng)絡，最后再經地層流向源端電路，最終形成一個 完整的電流回路。我們都知道，控制好高速信號的回路阻抗非常關鍵，因為它直接影響到信號傳輸特性。當信號參考電源層布線時，回流路徑當中對信號影響最大的就是 Cpg電源與 地網(wǎng)絡之間的容性通道。它可以是電源地網(wǎng)絡上分布復雜的退耦電容，也可能包 含電源地層平面之間的平板電容，構成非常復雜，在各個頻點所表現(xiàn)的阻抗特性 都不一樣，難以量化與控制。所以不建議

3、高速信號參考電源。卜面通過仿真軟件來幫忙我們看看具體信號傳輸差異那么究竟有多大影響， 的情況2,參考電源層的仿真分析2.1 基礎研究模型的建立有了以上理論了解之后，接下來通過仿真技術協(xié)助研究，到底參考電源層會 跟信號傳輸帶來怎樣的影響？為了說明問題，把模型簡單化，這里利用板級仿真工具SIwave的自行建模功能（也可通過版圖工具畫一個類似 PCB走線再導入）建立一個簡單的10X10 四層PCB,疊層分布為SIG/GND/PWR/SIG ,第二層全部為地，第三層電源平面 為一小塊不規(guī)則平面，如下圖，并布置兩根傳輸線，一根為表層走線，此案例中， 它屬于完全參考地層平面的微帶線，一根為表層走線經過孔到

4、底層走線的微帶線， 屬于部分參考地層又部分參考電源層的走線。 即建立了我們需要研究的參考電源 的信號模型。如圖2所示：Layers霾跳走線Gid,聲a ¥國W眄X 二一.Prapenti賽展鯉過孔到雇層走線第三層電睥平面圖2簡單的四層PCB模型2.2 回流仿真分析通過SIwave2014以上版本的AC CURRENTS功能可以進行信號回流路徑 的仿真分析，只需要在兩條傳輸線兩端分別添加相應頻率的信號源和負載，即可仿真得到信號源傳輸時，各個平面層上的電流分別情況。如圖3所示，顯示為地 層的電流分布，跟前面理論分析結論非常一致。完全參考地層的傳輸線，回流路 徑主要集中在走線正下方，而參考

5、電源層的信號回流會經電源地耦合到地層上， 所以在電源與地層重疊的地方分布， 不同頻點的回流分布也不盡相同，這勢必會 影響信號傳送質量，同時也可能對外界電路造成干擾。圖3信號回流分布圖2.3頻域S參數(shù)分析通過對兩條傳輸線建立端口，然后利用 SIwave的HFSS 3D Layout （超高 頻段，還是HFSS精度更讓人放心，并且3D layout在模型編輯便捷性及求解 效率方面提升很多，不用再在HFSSI面糾結波端口 /集總端口的建立）進行SYZ 參數(shù)分析之后觀察兩者之間的插入損耗 S21的差異，如圖5:圖4 HFSS 3d layout自動建立的三維模型圖5兩條傳輸線的S21曲線通過觀察S21

6、曲線，可知在1GHz以下兩種走線的傳輸差異并不太大（這 里的頻率是指單頻點正余炫波，而非方波/時鐘頻率）。頻率越高，S21差異相 對越大，尤其是在突點尖峰頻率。為什么會有這些尖峰？實際上是來源于電源地 平面之間在尖峰頻點的諧振，當回流流經這些諧振頻點時，自然會有較大的能量 損耗。通過SIwave的諧振分析功能也可進一步驗證這一論點，如下圖6, SIwave分析得到的諧振頻點，尖峰頻點基本都在其中。Re Free EHeE Pneq (GHz-kWsveierol-I fri)ai1 075251&64O.EJ 11037333Z2 535pWM028114344B 712ZTO 70D

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9、 plianes; criQjHlpUtd.and圖6 SIwave的諧振分析結果實際上，觀察頻域曲線差異并不是很直觀，因為它們比較的是單頻點的傳送 差異，而通常我們傳輸?shù)氖菍掝l帶的類方波信號，所以在時域上進行波形的對比驗證才是最關鍵的，也是最直觀的。下面通過designer軟件導入兩條傳輸線的S參數(shù)模型，然后分別施加同樣的理想信號源以及50ohm的負載端接，進行時域上的眼圖分析，如圖7建立仿真電路，觀察不同傳輸頻率情況下的差異NET-1hslET-1 ONET-2OJET-2 O圖7 Designer建立的時域仿真電路完成仿真之后，觀察10Gbps信號傳輸眼圖，如圖8,可以發(fā)現(xiàn)參考電源層 的傳輸線，接收眼圖的眼睛張開程度已經變得更小，并且眼皮也更粗，抖動加大， 如果添加信號源抖動，或信號線再長一些，再經過連接器或過孔或封裝這些阻抗 不連續(xù)互連結構，那么很有可能就會出現(xiàn)信號完整性問題。隨著頻率的下降，兩者傳輸信號的質量差異也在逐漸減小，如下面5Gbps和IGbps信號眼圖。圖8傳輸10Gbps信號的眼圖差異q 444 49W*giW =84S44dd1 f*,nraiwi1iM£l44iT5D 44圖10傳輸IGbps信號的眼圖差異圖9傳輸5Gbps信號的眼圖差異綜上所述,信號參考電源層會跟信號質量帶來影響，電源地層之間的阻抗會是影響的主要因素,信號頻率越高