信号包地反而更差?

我是Sig008,从事信号、电源完整性工作,喜欢钻研,喜欢交流,今后会多把一些理论知识以简单易懂的方式梳理出来,供大家一起交流;

大家也可以添加我的个人微信,进一步交流讨论:LLFF_5021


信号包地目的有两种,一是包地线负责回流,二是负责隔离,也就是防止串扰。

 但是有时候包地线处理不好,反而会使信号变得更差。

 对于如下结构,DDR4的DQ信号之间为了防止彼此串扰,用了包地线;

下面我们来看一下,不考虑邻近的信号线和包地线,单根信号线上的信号:

信号为点对点结构,接收端内部ODT端接,信号质量还是比较良好的;

接下来看一下,没有包地线,考虑邻近的信号串扰后波形如下,注意未进行包地处理时,信号线间距为3倍线宽:

考虑两侧都有攻击线串扰时,波形如下:

可以看到,信号间距为3倍线宽时,串扰会有一定影响,但是只要端接良好,当前结构中串扰不构成本质影响;

将信号间距调整为1倍间距时,波形如下:

此时,由于信号线间距比较近了,串扰影响已经非常大了,此时不能忽略;

那么可以用哪些措施解决呢,首先要保证良好的端接,其次我们来对比一下,信号上升时间对串扰的影响:

通过对比,可以知道,在时序允许的条件下,选取上升边沿较缓的驱动,串扰更小;

下面对比,传输线耦合长度:

通过对比发现,耦合长度(平行走线长度)越长,串扰越大;

综上发现,信号线间距、信号线耦合长度、信号上升时间,这些因素对于串扰的影响,某些情况下,串扰并不构成本质影响,当然是否良好端接也至关重要。

 

下面我们就来看一下,在线间距为3倍线宽的信号线间加入包地线后的影响。

给我们的直观印象是,中间插入的是GND,无论如何,总比什么也没有好,如果存在这种印象,就说明对信号如何在传输线中传输不够清晰。

对于微带线而言,他的电磁场和电流分布如下:

而对于电流分布仿真时,软件并不关心传输路径和参考路径的电气网络是什么,这也就是说,微带线这种物理结构本身就为信号在其中传播提供了物理环境,这当然是因为,两个导体中间存在互容、互感,因此在参考路径中耦合出了返回电流,也因此,信号可以在其中传播。

而对于临近传输线而言,他们之间也存在互容、互感,如下图,也因此他们之间必然有耦合电流,而攻击线的耦合电流一旦进入邻近的传输线(受害线),那么它在受害线中就进行传播,和受害线本身的信号叠加,从而干扰信号,这就是串扰,正如上边所说,传输线这种物理结构本身就是导致串扰和信号传播的物理结构,即便他是GND。

临近线之间耦合出来的电流

回到最开始的PCB包地结构,我们不难发现,包地线本身构成了信号的传输路径和串扰的耦合路径;

也就是说,原来线间距为3倍线宽,加入包地线之后,变成了1倍线宽,这似乎说明包地线注定要导致信号串扰变大。

 先别急着下结论,历史是经得住考验的,我们进一步探究根源。

还有一点我们没有考虑,那就是,我们说过,信号的端接也至关重要,信号线传输到接收端之后有ODT端接(比如50 Ohm),而包地线传输到末端后,经过过孔回到GND中,也就是端接电阻近似为0 Ohm,这样的话,在这里就会产生负反射,回到原端之后,同样是0 Ohm的负反射,因此信号在包地线上来回反射,再持续反过来影响传输线。

 我们先来仿真观察,当攻击线上驱动一个上升跳变边沿时,在包地线上耦合出了如下串扰信号,注意,此时对包地线特别做了50 Ohm端接。

下面,将包地线的端接去掉,改换成0 Ohm,再来观察:

串扰开始震荡,这就是串扰在包地线上来回反射的结果;

我们再来对比没有包地线、包地线端接、包地线没有端接时的受害线串扰量和信号眼图:

没有包地线

包地线端接

包地线两端接地

通过串扰和眼图对比发现,包地线引入的串扰,不容忽视,而实际中的包地线就是两端接地的,那么怎么办的,还能包地么?

 对于这种情况,可以在包地线中继续打地孔,减小地孔之间的距离,从而提高包地线结构的谐振频率,使其对当前信号不构成影响。

 当前结构,包地线为2000 mil,在包地线中间加一个地孔,观察眼图:

在此基础上,进一步在包地线中平均的加入地孔后,眼图如下:

孔间距为500mil

 孔间距为200mil

孔间距为100mil

 

结论:

  • 1、信号之间的串扰和信号本身的端接有关,做好自身端接,有助于减小串扰;
  • 2、串扰大小和信号线间距、传输线耦合长度、信号本身边沿陡峭程度有关,可以从这几点

入手减小串扰;

  • 3、注意,包地线也是传输线结构,信号同样能够耦合到包地线中,而包地线是没有端接的;
  • 4、如需包地,注意包地线和信号线之间的距离,距离越近,包地线和传输线的耦合越大,

由于包地线处理不妥善引起的串扰也越大;

  • 5、包地线两个地孔之间的距离和引起谐振的频率相关,距离越大,其长度对应谐振频率的   

波长也越大,通过减小地孔间距使谐振频率向高频移动,减小当前谐振,减小包地线引起的串扰;

  • 6、包地线的地孔距离大概是信号包含最高频率对应波长的1/10左右时,基本可以抵消包地

线引起的反射震荡;

  • 7、全面评估是否需要包地,如需包地,确保包地线的地孔数量和地孔间距;
  • 8、还有一个注意点,就是在包地线上打了很多地孔后,还要注意包地线的两端是否在最终

端打了地孔,此处的stub长度不要忽略。

 

声明:本内容为作者独立观点,不代表电子星球立场。未经允许不得转载。授权事宜与稿件投诉,请联系:editor@netbroad.com
觉得内容不错的朋友,别忘了一键三连哦!
赞 2
收藏 3
关注 6
成为作者 赚取收益
全部留言
0/200
成为第一个和作者交流的人吧