直觀信號(hào)眼圖，衰減心中有數(shù)

edadoc · 發(fā)表于 2017-11-10 17:37:16

作者：一博科技

前面幾篇文章講到了串行總線的預(yù)加重與均衡理論，概念性的東西比較多，大家如果不是從事信號(hào)完整性仿真等相關(guān)工作人員，理解起來(lái)會(huì)有一定的困難。很多關(guān)注高速先生公眾號(hào)的都是從事高速PCB 設(shè)計(jì)（layout）的小伙伴，信號(hào)處理的理論可能對(duì)這些朋友日常工作幫助不是太大，這些朋友可能更多關(guān)注的是與布線相關(guān)的話題。

經(jīng)常會(huì)有pcb設(shè)計(jì)的同事問(wèn)我，板子上PCIe或者10G光口這類走線最長(zhǎng)不能超過(guò)多少？速率不是那么高的信號(hào)，例如USB2.0，是不是就可以走很長(zhǎng)的線了？速率到達(dá)多高，就要特別注意走線的損耗的問(wèn)題？這些問(wèn)題核心還是涉及到高速信號(hào)速率與傳輸線損耗之間的關(guān)系，如果我們對(duì)不同速率的信號(hào)通過(guò)傳輸線后的衰減有一個(gè)基本認(rèn)識(shí)，就可以對(duì)布線長(zhǎng)度做一個(gè)基本的評(píng)估了。

在回答這些問(wèn)題之前，我們應(yīng)該對(duì)不同頻率的信號(hào)經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)度的傳輸線后損耗程度有一定的了解。大家覺(jué)得傳輸速率為5Gbps的數(shù)字信號(hào)（不經(jīng)過(guò)任何預(yù)加重或者均衡處理），經(jīng)過(guò)一段15inch的傳輸線后（普通板材），眼圖還可以打開嗎，8G呢？為了解開大家的疑惑，我做了如下仿真，如下圖所示：

我們假設(shè)這個(gè)通信系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和接收器件都是理想模型，理想模型就意味著驅(qū)動(dòng)和接收都是匹配較好，除了傳輸線的損耗之外，信號(hào)不受其他干擾項(xiàng)的影響。假設(shè)該傳輸線的介質(zhì)為普通FR4，線寬為5mil，阻抗為50ohm，線長(zhǎng)為15inch。首先我們來(lái)看下通道的插損曲線，如下圖：

通過(guò)插損曲線我們可以看出，通道的損耗還是很大的，在2.5G的時(shí)候就達(dá)到了-7.9dB，轉(zhuǎn)化成幅度，大概為0.4，也就是這個(gè)頻率下，信號(hào)的幅度損耗了60%。我們來(lái)看看不同速率的信號(hào)在穿過(guò)這個(gè)通道后會(huì)變成什么樣子。

發(fā)送端為理想PRBS信號(hào)，發(fā)送端信號(hào)峰峰值為1V，上升和下降時(shí)間為10ps，我們分別仿真了速率為1G，2.5G，5G，8G，10G，25G的信號(hào)，通過(guò)15inch的傳輸線后，眼圖對(duì)比如下：

眼高和眼寬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比如下：

由上表我們可以看出，隨著信號(hào)頻率的提高，損耗的影響變得越來(lái)越大。至于這個(gè)影響到底有多大，我們可以參考上面的表格做一個(gè)大概的評(píng)估。

比較較真的網(wǎng)友可能又有疑惑了，你說(shuō)了這么多，我只想知道我在布線的時(shí)候高速線到底最長(zhǎng)可以走多長(zhǎng)，你能不能給個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值。遇到這些問(wèn)題，高速先生也不能明確的給出答案。我只能說(shuō)，it depends…..

從傳輸通道來(lái)說(shuō)，線長(zhǎng)只是影響損耗的因素之一，還有很多關(guān)鍵的因素影響著通道的損耗，比如說(shuō)我們選用的板材，換層孔的類型，數(shù)量，使用的銅箔類型，線寬線厚等等。對(duì)于高速串行信號(hào)來(lái)說(shuō)，不同的芯片信號(hào)處理能力也不一樣，也就是所謂的預(yù)加重和均衡能力不一樣，既然芯片的性能有差異，我們對(duì)傳輸通道的評(píng)估也就不能一概而論了。最好的方法就是拿到芯片的模型進(jìn)行仿真評(píng)估，綜合考慮這些因素對(duì)信號(hào)的影響，這也是SI工程師存在的價(jià)值。