信號(hào)包地反而更差?
信號(hào)包地目的有兩種,一是包地線負(fù)責(zé)回流,二是負(fù)責(zé)隔離,也就是防止串?dāng)_。
但是有時(shí)候包地線處理不好,反而會(huì)使信號(hào)變得更差。
對(duì)于如下結(jié)構(gòu),DDR4的DQ信號(hào)之間為了防止彼此串?dāng)_,用了包地線;
下面我們來看一下,不考慮鄰近的信號(hào)線和包地線,單根信號(hào)線上的信號(hào):
信號(hào)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu),接收端內(nèi)部ODT端接,信號(hào)質(zhì)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(hào)串?dāng)_后波形如下,注意未進(jìn)行包地處理時(shí),信號(hào)線間距為3倍線寬:
考慮兩側(cè)都有攻擊線串?dāng)_時(shí),波形如下:
可以看到,信號(hào)間距為3倍線寬時(shí),串?dāng)_會(huì)有一定影響,但是只要端接良好,當(dāng)前結(jié)構(gòu)中串?dāng)_不構(gòu)成本質(zhì)影響;
將信號(hào)間距調(diào)整為1倍間距時(shí),波形如下:
此時(shí),由于信號(hào)線間距比較近了,串?dāng)_影響已經(jīng)非常大了,此時(shí)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(duì)比一下,信號(hào)上升時(shí)間對(duì)串?dāng)_的影響:
通過對(duì)比,可以知道,在時(shí)序允許的條件下,選取上升邊沿較緩的驅(qū)動(dòng),串?dāng)_更小;
下面對(duì)比,傳輸線耦合長度:
通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),耦合長度(平行走線長度)越長,串?dāng)_越大;
綜上發(fā)現(xiàn),信號(hào)線間距、信號(hào)線耦合長度、信號(hào)上升時(shí)間,這些因素對(duì)于串?dāng)_的影響,某些情況下,串?dāng)_并不構(gòu)成本質(zhì)影響,當(dāng)然是否良好端接也至關(guān)重要。
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下面我們就來看一下,在線間距為3倍線寬的信號(hào)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(duì)信號(hào)如何在傳輸線中傳輸不夠清晰。
對(duì)于微帶線而言,它的電磁場(chǎng)和電流分布如下:
而對(duì)于電流分布仿真時(shí),軟件并不關(guān)心傳輸路徑和參考路徑的電氣網(wǎng)絡(luò)是什么,這也就是說,微帶線這種物理結(jié)構(gòu)本身就為信號(hào)在其中傳播提供了物理環(huán)境,這當(dāng)然是因?yàn)椋瑑蓚€(gè)導(dǎo)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(hào)可以在其中傳播。
而對(duì)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(jìn)入鄰近的傳輸線(受害線),那么它在受害線中就進(jìn)行傳播,和受害線本身的信號(hào)疊加,從而干擾信號(hào),這就是串?dāng)_,正如上邊所說,傳輸線這種物理結(jié)構(gòu)本身就是導(dǎo)致串?dāng)_和信號(hào)傳播的物理結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),我們不難發(fā)現(xiàn),包地線本身構(gòu)成了信號(hào)的傳輸路徑和串?dāng)_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(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_變大。
先別急著下結(jié)論,歷史是經(jīng)得住考驗(yàn)的,我們進(jìn)一步探究根源。
還有一點(diǎn)我們沒有考慮,那就是,我們說過,信號(hào)的端接也至關(guān)重要,信號(hào)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┒撕螅?jīng)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(huì)產(chǎn)生負(fù)反射,回到原端之后,同樣是0 Ohm的負(fù)反射,因此信號(hào)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(dāng)攻擊線上驅(qū)動(dòng)一個(gè)上升跳變邊沿時(shí),在包地線上耦合出了如下串?dāng)_信號(hào),注意,此時(shí)對(duì)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?dāng)_開始震蕩,這就是串?dāng)_在包地線上來回反射的結(jié)果;
我們?cè)賮韺?duì)比沒有包地線、包地線端接、包地線沒有端接時(shí)的受害線串?dāng)_量和信號(hào)眼圖:
沒有包地線
包地線端接
包地線兩端接地
通過串?dāng)_和眼圖對(duì)比發(fā)現(xiàn),包地線引入的串?dāng)_,不容忽視,而實(shí)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(duì)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(jié)構(gòu)的諧振頻率,使其對(duì)當(dāng)前信號(hào)不構(gòu)成影響。
當(dāng)前結(jié)構(gòu),包地線為2000 mil,在包地線中間加一個(gè)地孔,觀察眼圖:
在此基礎(chǔ)上,進(jìn)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
結(jié)論:
1、信號(hào)之間的串?dāng)_和信號(hào)本身的端接有關(guān),做好自身端接,有助于減小串?dāng)_;
2、串?dāng)_大小和信號(hào)線間距、傳輸線耦合長度、信號(hào)本身邊沿陡峭程度有關(guān),可
以從這幾點(diǎn)入手減小串?dāng)_;
3、注意,包地線也是傳輸線結(jié)構(gòu),信號(hào)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(hào)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?dāng)_也越大;
5、包地線兩個(gè)地孔之間的距離和引起諧振的頻率相關(guān),距離越大,其長度對(duì)應(yīng)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(dòng),減小當(dāng)前諧
振,減小包地線引起的串?dāng)_;
6、包地線的地孔距離大概是信號(hào)包含最高頻率對(duì)應(yīng)波長的1/10左右時(shí),基本可以
抵消包地線引起的反射震蕩;
7、全面評(píng)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(gè)注意點(diǎn),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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