信號包地反而更差?
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;
1、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:
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;
2、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:
3、考慮兩側都有攻擊線串擾時,波形如下:
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;
4、將信號間距調整為1倍間距時,波形如下:
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:
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?。?/p>
下面對比,傳輸線耦合長度:
通過對比發(fā)現(xiàn),耦合長度(平行走線長度)越長,串擾越大;
綜上發(fā)現(xiàn),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。
加入地線的影響
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,它的電磁場和電流分布如下:
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(huán)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。
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(fā)現(xiàn),包地線本身構成了信號的傳輸路徑和串擾的耦合路徑;
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?shù)浇邮斩酥笥蠴DT端接(比如50 Ohm),而包地線傳輸?shù)侥┒撕?,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(xù)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。
下面,將包地線的端接去掉,改換成0 Ohm,再來觀察:
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:
沒有包地線
包地線端接
包地線兩端接地
通過串擾和眼圖對比發(fā)現(xiàn),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(xù)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:
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:
孔間距為500mil
孔間距為200mil
孔間距為100mil
小結
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(shù)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。
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