一种高速互连通道的信号完整性仿真研究

信号完整性是指传输系统在信号传输过程中保持信号时域和频域特性的能力。它表明信号通过信号线传输后仍能保持其正确的功能特性，即信号在电路中能以正确的时序、幅度及相位等做出响应。如果电路中信号能够以要求的时序和电压幅度到达接收端，就表明该电路具有较好的信号完整性。反之，信号能正常响应时，就出现了信号完整性问题。

根据信号完整性的定义，我们要关注两个方面的问题：信号质量和信号时序。保证可靠的高速数据传输是信号完整性分析的目的。信号完整性实质上与振铃、串扰、地弹和电源噪声有关。因此，信号会受到电路逻辑系列、电源传输网络以及高速数字设计等方面的影响，这些错误的、实际的影响会导致电压和电流波形失真以及信号抖动，从而导致开关误动作和逻辑错误 。

此外，信号出现振铃、非单调、抖动也会影响到接收端的逻辑判决，同时还会影响时序。

时序完整性：以同步时钟信号为基准的时序计算到达设计要求，有足够的建立时间裕量、保持时间裕量、低的时钟抖动等以保证数据采集正确。其中涉及传输时间、飞行时间、建立时间、保持时间、时钟抖动、时钟偏移等参数。

本文以数字激励源与 D/A 转换器评估板高速互连通道为例，如图 2 所示，该通道包括驱动端 buffer 连接器、差分微带线、过孔、接收 buffer，提取微带线、连接器以及过孔模型，并与电路的驱动、接收端的 IBIS模型相结合，在时域中仿真，生成数据眼图，并通过数据眼图来评估经过传输通道的信号质量。

本仿真采用了 Ansoft 的 Siwave 提取微带线模型，Ansoft 提供了与当前业界主流 PCB Layout 工具（ 如 Allegro、Board Station、PADS、Expedition、Zuken等） 之间方便快捷的接口。我们目前采用 Allegro 与Siwave连接。首先将PCB文件导入Siwave，如图4所示。

该 PCB 文件规则检查运行完之后，设置需要提取模型的走线端口，同时设置其参考地阻抗 50 Ω 以及就近的参考地网络。本例共提取了 14 对差分线的模型，通过设置扫描频率（0 Hz~3 GHz），采样点 200 点，计算其 S、Y、Z 参数，得到如图 5、图 6 所示的 S11、S21参数结果，同时可以得到微带线 SNP 文件，用在时域中仿真。

由图 5、图 6 可知，S11 在-10 dB 以下，表明能量反射回来较少，但仍未达到最理想的效果，一般要求在-20 dB 以下，而 S21 随着频率的增加衰减明显，到3 GHz 时已达到-6 dB。

图 6 微带线 S21 参数

其中 C 是通孔的电容，单位为 pF。D 2 是反焊盘直径（in），D 1 是焊盘直径 (in)，T 是印刷电路板的厚度(in)，ε r 是电路板的介电常数。

此外，过孔还存在寄生电感，其计算如下  ：

其中 L 是通孔的电感，单位 nH；h 为通孔的长度(in)；d 为通孔直径(in)；根据以上公式可以看出，过孔的寄生电容、寄生电感与孔径、焊盘反焊盘参数有关。

Ansoft 提供了专用的过孔建模软件，通过设置过孔焊盘、反焊盘、孔径大小以及 PCB 板叠层厚度、介电常数，并直接导入 HFSS 中，得到过孔模型如图 7 所示。

通过仿真可以得出反焊盘半径变化时散射参数S11 和 S21 的变化曲线，图 8、图 9 分别为反焊盘半径为 330 μm、355.6 μm、381 μm、406.4 μm、432 μm 时的S11 和 S21 变化曲线。由图 8、图 9 可知，随着反焊盘半径的增加，反射系数 S11 愈小，传输系数 S21 愈大，信号传输最佳。因此，设计过孔时可以通过优化过孔的各种参数来优化信号传输性能。

图 8 不同反焊盘的 S11 参数

图 9 不同反焊盘的 S21 参数

图 10 高速互连通道仿真电路图

图 11 高速互连通道仿真眼图

图 12 改善后的眼图