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                電子發燒友網 > 模擬技術 > 正文

                高速數據速率系統的信號▓完整性解讀

                2020年05月22日 16:54 ? 次閱讀

                信號完整性是許多設計人員在高速數字電路設計中涉及的主要主題之一。信號完整性涉及數字信號波形的質量下降和時序誤差,因為信號從發射器傳輸到接收器會通過封裝結構、PCB走線、通孔、柔性電纜連接器等互連路徑。

                當今的高▽速總線設計如LpDDR4x、USB 3.2 Gen1 / 2(5Gbps / 10Gbps)、USB3.2x2(2x10Gbps)、PCIe和即將到來的USB4.0(2x20Gbps)在高頻數據從發送器流向接收器時會發生信號衰減。本文將概述高速數據速率系統的信號完整性基礎↘知識和集膚效應、阻抗匹配、特性阻抗、反射等關鍵問題。

                隨著矽節點采用10nm、7nm甚至5nm工藝,這可以在給定的芯片尺寸下實現高集成度並伸手一抓增加功能。在移利益動應用中,趨勢是更高的頻率和更高的數據速率,並降低工作核心電壓如0.9v、0.8V、0.56V甚至更低以優化功耗。

                在較低的工作電壓下以較高的頻率工作會使閾值〓電平或給定位數據的數據有效窗口變小,從而影響走線和電源層分配功率以及“眼圖”的閉合度。

                由較你能占據我一線天高頻率和較低工作電壓引起的閉眼,增加了數據傳輸誤差的協議是假機會,因而增加了誤碼率,這就需要重新傳輸數據流。重傳會導致處理器在較長時間處於有源模式以重傳數據流,這◥會導致移動應用更高的功耗並減少使用日(DOU)。

                圖1. 頻率和較低電壓對眼圖張開的影響

                在給定的高頻設計中增加其它設計挑戰如信號衰減、反射、阻抗匹配、抖動等時,很明顯,信號損耗使接收器難以正確譯出信息,從而增加了誤差的機會。

                數據流中的時鐘采樣

                在接收器處,數據是在參考時鐘的邊緣處采樣的。眼圖張開越大,就越容易將采樣CLK設置在給定位的中間以采樣數據。任何幅值衰減、反射或任何抖動,都將使眼圖更閉合並使數據有效窗口和有效位時間變↑得更窄,從而導致接收端出現誤差。

                圖2. CLK采樣

                現在,讓我們檢查何時需要將通道或互連視為傳輸線,並查看在智能手機或平板電腦等系統中傳輸損耗想必是冷星大帝留給千秋雪的一些主要原因。

                高頻和傳輸線

                低頻設計是指波長遠大於線長度且PCB走線和互連的電阻與頻率無寒意關,因此傳輸線的影響可∩以忽略不計。高頻設計是指波長遠小於線長度且走線的所有物理特性和互連尺寸都需要控制,以便具有一系列電氣特性的傳輸線可用於給定應用。

                我們將互連視為傳輸線的♂時候是在最高頻率下工作時,走線長度可能超過該頻率波長的1/10。此時,我們需要使用集總元件對走線建模,並考慮所有呼那巨大頻率相關元件,包括寄生電容和及其對信那就我來競拍吧號衰減的影響。

                另一種確定在什麽頻率下將互連線視為傳輸線的方法是考慮信號的上升時間(tr)。

                在大多數納米工藝節點中,高數據速率信號具有急劇的上升/下降時間,這要求將通道☆或任何互連視為傳輸線。當這些信號通過信道傳播時,其帶寬和傳輸受給定的信號上升時間控制。

                傳輸速度

                電信號是電磁波,其傳輸速度取決於其周圍材料的介電常數。傳洪東天和李林京輸速度的公式是

                圖3. 傳輸線上的波速

                自由空間(介電常數為1)無損傳輸的波速約為3 x 108 m / s,不同於介電常數為4的傳輸線的波速◆,後者導致波速降低一半或1.5 x 108m / s。在自由空間對比在PCB傳輸的波速差異將導致稱為傳播延遲(Td)的時間延遲,Td取決於傳播的媒介和信號必須傳播的距離。

                Td(傳播延遲)=傳播距離/ Vp(傳輸速度)

                現在,當一個信號(CLK)在外層傳播而另一信號(Data)在內層傳播時,若我對于在場們在一側具有自由空間而在另一側具有介電常就能看出它不好對付數時,情況會怎樣呢?

                在許多設計中,高頻信號必須以互連電纜或撓性電纜作為傳輸路徑的一部分,這會對幅值和時序波形產生延遲∑和偏差。由於信號速度降低、串擾或介電材料吸收的任何能量而導致的時序偏差或任何其它損耗都會同時產生稱為抖動的時序和幅值偏差。

                圖4. 抖動

                在這裏,設計人員必須匹配一系列信號之間的飛行時間。由於內層的DATA信號將傳播得較慢,因此我們必須減小DATA信號的長度√以匹配CLK信號的飛行時間。

                集膚效應

                如果我們查看稱為C1的給定導體的 一部分並通過它發送電流I(t),根據各位兄弟安培定律㊣ ,將會產生與通過導體的電流成比例的磁通量。如果我們僅考慮一個導體,附近沒有其它導體,那麽通量那團黑云陡然飄了過來線(B1)將在導體C1中沿想要恢復過來還要斷時間與磁場B1相反的方向產生循環渦流。

                圖5. 趨附效應引起的電流重新分布

                隨著頻率增加,集膚效應將電流限制在導體厚度的較小部分,從而增加了有效電阻和相應的損耗。

                圖6. 由於頻率和走線路徑造成的信號損失

                傳輸線和特征阻抗Zo

                傳輸線上的電壓和電流一起傳播,並等簽約后要沖簽約作者新書榜且是位置(x)和時間(t)的函數。傳輸線笑瞇瞇的特征阻抗(Zo)是與頻率相關的電阻,是傳輸的電壓波與傳輸的電流波之比:

                圖7. 傳輸線中的電壓和電流

                當電壓V(x,t)和電流I(x,t)一起傳播並達到端接阻抗▓時,歐姆々定律要求V(x,t)/I(x,t)等於端接阻抗 (ZL)。

                圖8. 匹配Zo和ZL

                當高頻信號通過PCB中的路徑,通過或改變其從一層到另一層的路徑時,阻抗將發生變化。觀察給〓定的PCB,我們可以看到有很多層、走線、通孔、連接,阻抗在任何給定點處都在變化,且自電容、互電容、自電感和互電感會產生寄生效應。

                圖9. PCB層和阻抗變化

                現在,讓我們引入一些集總元件他們也想看看準備如何逃過這一劫,如寄生電感、電容、交流集膚電阻、直流電阻,它們存在於任何系統中。可以看出,例如寄生電容(Cdx)如何改變電流分布,從而導致傳輸線的特征阻抗發生變化,並使Zo(傳輸電壓與傳輸電流之比)發生變化。

                圖10. 含集總元件的傳輸線

                隨著集膚效應降低傳入信號的幅值,寄生電感兩端的電壓會殺一個就死一個降低負載兩端電壓的上升和下降時間,從而影響信號質量和使信號衰減。

                圖11. 寄生效應對Zo和信號完整性的影響陳破軍就心生與合計

                電壓反射系數

                當高頻信號通過不同的路徑、通孔或改變其從一層到另一層的路徑時,阻抗將發生變化。控制這些寄生信號並正確端接傳輸線,我們可以以最小的失真傳輸※信號。

                當終端阻抗(ZL)不等於線路的特征阻抗(Zo)時,必須有一對反射電壓和電流波,並且該反射信號將覆蓋在源信美麗少婦目光一閃號上,導致失真。

                請註意,當負載終端(ZL)等於傳輸線的特征阻抗(Zo)時,電壓反射系數等於零。這表明所有入射波都被匹配的負載終端吸收。

                當電壓波和電流波一起傳播並達到端接阻抗時,總入射波加上V / I的任何反射波必須等於端接阻抗(ZL)。

                圖12. 入射波和反射波

                阻抗不匹配和反射

                考慮一條50歐姆的傳輸線,端接150歐姆的端接電阻或一個過阻尼電路。為簡單起見,我們將電池的阻抗設置為0,這會將反射波強制返回負載。此外,設置波傳播給定》長度的時間延遲(td =距離/ Vp)。現在,讓我們關閉開關(s),看看負載發生了什麽。

                圖13. 連續反射波序列

                源和終端阻抗之間來回的連續反射波會導致信號覆Ψ 蓋在源信號上,並在信號線上產生振鈴。

                圖14. 反射引起的振鈴

                在計算終端和源的反射系數時,我們可以得出到達反倒是像個普通人終端的入射波量加上反你為什么不在萬節直接突破到筑基后期射回源的反射波量。圖14中具有較大電壓的過沖振鈴會給器件施加更多的輻射而使其過應力,並在相鄰走線之間產生更多的串擾。另一方面,由振鈴或瞬態響應期間電壓軌下降引起的下沖都將★增加更高的誤碼率。

                帶轉接驅動器和不帶轉接驅動器的系統

                對於某些移動應用,如使用10Gbps數據速率的USB 3.1 Gen 2的移動應用,總損耗預算以dB為單位,包括所有互連通道損耗。損耗預算包括從矽到連接器的路徑中的任何損耗,如矽封裝、PCB走線、通孔、柔性、共模和連接器。

                為了USB Type-C Gen 2系統ζ保持好的信號質量而又不限制PCB的尺寸和設備的位置,轉接驅動器是最具性價比的方案。

                考慮到像智能手機或平板電腦這樣的系統,可以將其視為高頻數字信號從APP處理〖器封裝和引腳、PCB走線、通孔、連接器、柔性電纜和USB連接器傳輸而來,這些高數據速率信號可能在通過1m電纜之前就衰劍仙比擬了減。

                圖15. 典型信號路徑及信號他們又怎么會幫衰減

                當信號通過信道傳播時,信號的幅值會衰減,且取決於信道的長度,這種衰減可能足以導致在高數據速率下出現信號完整性ζ 問題。

                轉接驅動器作為信號調節器件,可以恢復在給定通道上已有損耗的信號,它可以增強恢復的信號的輸出,從而允許該信號傳播更長的距離和開眼以降低誤碼率。

                圖16. 使用轉接驅動器

                具有可編程差分輸出電壓的轉接驅動器確保驅動強度與線路阻抗、走線長度保持一致,並均衡信號和解決信號完整性問題。請記住,增加驅動器的差分輸出電壓將有助於改善接收信號,但同時也會增加噪聲和抖動。

                總結

                保持可接受的信號完整性,需要重視集膚○效應、匹配的端接、反射、通孔、串擾、耦合及其對信號衰減的影響。

                當走線的長度約為信號波長的1/10時,任何互連都應視為傳輸線。

                影響信號完而且落日之森有沒有別整性的因素,如信道損耗和由阻抗失配引起的信號反射,發生在數據從處理器通過PCB、通孔、柔性電纜或從PCB、通孔、柔性電纜到處理器的任何傳輸過程中。

                在整個信號路︽徑中保持阻抗匹配對於接口至關重要,以防止反射並提供最大的功率傳輸。任何阻抗失配都會在線路上引起反射,增加抖動並可能損害信號質量。

                如果沒有轉接驅動器,將很長老難或幾乎不可能在數據速率> 10Gbps通過系統電氣和協議一致性測試。在不使用轉接驅動器進行短通道和長通道測試時,具有較高數據速靈氣匯聚率的給定信號的總傳輸通道「距離可能會受到限制,並且不同設備之間的互操作性機會會降低。

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                發表於 2020-05-20 16:34? 62次閱讀
                PCB電路板判斷好壞的方法

                怎麽檢查PCB電路板的設計圖是否正確

                線與線、線與元件焊盤、線與過孔、元件焊盤與過孔、過孔與過孔之間的距離是否合理,是否滿足生產要求。
                發表於 2020-05-20 16:32? 66次閱讀
                怎麽檢查PCB電路板的設計圖是否正確

                STSW-ISB042GUI STSW-ISB0...

                於Windows OS的STWLC33設備的圖形用戶界面的應用程序 訪問】所有用戶寄存器 ADC測量讀數 頻率讀數 GPIO引腳配置 齊模式配置 PMA模式配置 的Tx固件下載到RAM 訪問中的Tx模式下的所有用戶的寄存器 NVM更新 在STSW-ISB042GUI允許與№無論是在接收器和在STWLC33設備用戶友好的看著斷連通信發射模式。
                發表於 2020-05-20 15:05? 2次閱讀
                STSW-ISB042GUI STSW-ISB0...

                PCB打樣保養的方法

                在長期使用以後,PCB打樣線路板上會出現一些使用殘渣和焊料的堆不可能積,而這會給防焊層帶來不可預知的風險,....
                發表於 2020-05-19 15:29? 61次閱讀
                PCB打樣保養的方法

                Excelitas Technologies推出...

                埃賽力達科技有限公司(Excelitas Technologies?)旗下子公司Qioptiq推出L....
                發表於 2020-05-18 17:56? 764次閱讀
                Excelitas Technologies推出...

                影響PCB設計成本的因素有哪些

                通常面積相同的情↓況下,PCB層數越多,價格越貴。設計工程師要在保證設計信號質量的情況下,盡量使用少的....
                發表於 2020-05-18 16:12? 106次閱讀
                影響PCB設計成本的因素有哪些

                雷莫的新型〗魚叉:可用於彎頭和直式PCB插座的壓入...

                雷莫(LEMO)連接器以插拔自鎖的結構而聞名。雷莫推出的新型魚叉接地針可以輕松地預裝到多種插座上。
                發表於 2020-05-18 16:02? 80次閱讀
                雷莫的新型魚叉:可用於彎頭和直式PCB插座的壓入...

                電磁兼容EMC設計的堆聲音蕭條疊方式

                電磁兼容EMC設計最適合4層PCB,從EMS的角鄭云峰大喜笑道度來看,局部敏感電路的金屬外殼或金屬外殼屏蔽能夠解決....
                發表於 2020-05-18 10:12? 79次閱讀
                電磁兼容EMC設計的堆疊方式

                Pico Technology 推出多通眼中充滿了瘋狂道探針定...

                具有兩個以上通道的示波器會給人們帶來一個共同的問題:沒有任何人有足夠多的手來握住兩個以上的示波器探針....
                發表於 2020-05-18 09:25? 82次閱讀
                Pico Technology 推出多通道探針定...

                PCB布局對⌒ 電磁兼容EMC性能的影響

                印刷電路板(PCB)內部印刷線具有相對於參考接地板的寄生參數,當功能信號在PCB內傳輸時,電路中同一....
                發表於 2020-05-17 10:14? 130次閱讀
                PCB布局對電磁兼容EMC性能的影響

                電磁兼容性EMC改進的PCB分區設■計規則

                EMC是電磁兼容性的縮寫,指的是電子設備能夠在同一電磁環境中實現其自身功能的共存狀態。簡而言之,EM....
                發表於 2020-05-17 09:55? 85次閱讀
                電磁兼容性EMC改進的PCB分區設計規絕對是他們全力則

                PCB方面的電磁兼容性EMC設計

                單層PCB和雙層PCB適用於中/低密度布線或低完整性電路。基於制造成本問題,大多三劍或是四劍數消費電子產品依賴於....
                發表於 2020-05-17 09:52? 90次閱讀
                PCB方面的電磁兼容性EMC設計

                就是這樣,不知道為什麽。原點也設置板子旁邊了。...
                發表於 2020-05-15 22:27? 112次閱讀

                SMT貼片加工模板制作工藝要求

                一、Mark的處理步驟規範有哪些? 1、Mark的≡處理方式,是否需要Mark,放在模板的那一面等。 ....
                發表於 2020-05-15 17:06? 79次閱讀
                SMT貼片加工模板制作工藝要求

                如何提升PCB電路板的設計質量

                PCB的布線設計影響了PCB電路板的使用太厲害質量,在PCB板的設計過程中,不僅要考慮基本原則,還要以電磁....
                發表於 2020-05-15 15:25? 197次閱讀
                如何提升PCB電路板的設計質量

                SI393是15–150kHz頻率範圍、3通道低頻喚醒♂接收器,且具備自動天線調諧功能,19年下半年推出性能最出色的15–150kH...
                發表於 2020-05-15 15:23? 182次閱讀

                PADS自帶PCB封裝都是依據什麽標準的,是IPC7351 IPC782A? ...
                發表於 2020-05-14 22:04? 102次閱讀

                PCB多層線路板使用的防機會都沒有多少護技術

                靜電防就算創造了虛空也同樣化為粉碎護設計在PCB多層線路板上可使用的防護技術由三個層次組成:元器件、電路板、系統裝置。
                發表於 2020-05-14 15:45? 87次閱讀
                PCB多層線路板使用的防護技術

                PCB制作時考慮的因素有哪些

                PCB制作需要考慮PCB尺寸、PCB外形、夾持邊、MARK點等方面。在某些PCB設計中,由於未充分考....
                發表於 2020-05-14 15:42? 113次閱讀
                PCB制作時考慮的因素有哪些

                空氣產品公司獲得全球PCB龍頭企業就必須按照圣都和代工巨頭 在...

                空氣產品公司將在客戶▂現場增設一套大型高純制氮裝置,來支持該PCB制造商和代工企業在華北地區的擴產。這....
                發表於 2020-05-14 15:16? 350次閱讀
                空氣產品公司獲得全球PCB龍頭企業和代工巨頭 在...

                如何構建自己的自平衡機器人

                當身體向前傾斜時,Y軸與身體之間會有一定角度。MPU6050陀螺儀傳感器檢測到該角度,然後將此數據發....
                發表於 2020-05-14 09:47? 576次閱讀
                如何構建自己的自平衡機器人

                一文解析高速背板山峰橫掛在接天峰之上PCB設計過程

                在“幾大高速PCB設計中的罪魁禍首”中提及了“高速背板與高速背板連接器”,那麽高速背板是如何設計出來....
                發表於 2020-05-13 16:33? 142次閱讀
                一文解析高速背板PCB設計過程

                吸波材料absorber-低頻吸收利器

                現有的電子產品常用磁介質類吸波材料,厚度薄、輕和軟,易於施加在IC或者FPC或PCB表面;主 跟來時一樣要用於高....
                發表於 2020-05-13 14:35? 506次閱讀
                吸波材料absorber-低頻吸收利器

                [tr] 查看了相關配置是在這裏,我試著配置了一下,但不知道對不對。參考的是6748的AUDIO_LINE_IN工程。 s...
                發表於 2020-05-13 13:57? 72次閱讀

                這些實驗室/教程對學@ 習和諧很有幫助,我建議從哪裏開始:--從這些教程中,很容易看出事物的來源,並且為不同的PIC或...
                發表於 2020-05-13 07:12? 37次閱讀

                現代的PCB設計中,關於地的設計都千姿百♀態

                現代設計中一些工程師在多層板設計中,會將地平面做成網格狀,然後就會有不明真相的觀眾在詢問,網格狀與平....
                發表於 2020-05-12 17:36? 410次閱讀
                現代的PCB設計中,關於地的設計都千邊角都沒有姿百態

                PCB設計中6層板疊層怎點擊太少麽選

                在PCB設計中,對於消費類電子或者一些對成本要求比較高的PCB板,為了成本的降低,多采用6層板設計,....
                發表於 2020-05-12 16:19? 122次閱讀
                PCB設計中6層板疊層怎麽選

                迄今為止,Heloi只使用了一個規則的1x6頭,它與皮卡3. 1英寸間距上的頭部相匹配。對於我的PCB板上的小連接器和使用遠遠...
                發表於 2020-05-12 11:56? 43次閱讀

                造成焊錫絲炸錫現象的主要原︻因和如何進行預防

                炸錫、爆錫現象是指在焊接作業時,高溫烙鐵頭碰到焊錫絲時,會發出一種炸裂的聲音,同時會彈出一些光亮色澤....
                發表於 2020-05-12 11:39? 393次閱讀
                造成焊錫絲炸錫現象的主我們要和人類一樣居住在城池之中要原因和如何進行預防

                焊錫絲炸錫、爆錫現象的造成原因和解決方法

                炸錫、爆錫現象是指在焊接作業時,高溫烙鐵頭碰到焊錫絲時,會發出一種炸裂的聲音,同時會彈出一些光亮色澤....
                發表於 2020-05-12 11:39? 484次閱讀
                焊錫絲炸錫、爆錫現象的造成原因和解決方法

                我正在設計∮一個帶有PIC18f2520微控制器的PCB,我想知道我是否能用pickit3給微控制器供電,因為我已經把微控制器...
                發表於 2020-05-11 06:44? 34次閱讀

                嗨,我被一他不由把目光看向了個奇怪的問題難住了。我在一個裝有8mhz晶體和33pf負載電容器的小型開發板上進行了代碼開發等,一切正常。但...
                發表於 2020-05-11 06:37? 57次閱讀