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當今的高速總線設(shè)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(shù)據(jù)從發(fā)送器流向接收器時會發(fā)生信號衰減。本文將概述高速數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)的信號完整性基礎(chǔ)知識和集膚效應(yīng)、阻抗匹配、特性阻抗、反射等關(guān)鍵問題。

 

導(dǎo)讀

 

隨著硅節(jié)點采用10nm、7nm甚至5nm工藝，這可以在給定的芯片尺寸下實現(xiàn)高集成度并增加功能。在移動應(yīng)用中，趨勢是更高的頻率和更高的數(shù)據(jù)速率，并降低工作核心電壓如0.9v、0.8V、.56V甚至更低以優(yōu)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(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)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。

 

由較高頻率和較低工作電壓引起的閉眼，增加了數(shù)據(jù)傳輸誤差的機會，因而增加了誤碼率，這就需要重新傳輸數(shù)據(jù)流。重傳會導(dǎo)致處理器在較長時間處于有源模式以重傳數(shù)據(jù)流，這會導(dǎo)致移動應(yīng)用更高的功耗并減少使用日 (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(shè)計中增加其他設(shè)計挑戰(zhàn)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(shù)據(jù)流中的時鐘采樣

 

在接收器處，數(shù)據(jù)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(shè)置在給定位的中間以采樣數(shù)據(jù)。任何幅值衰減、反射或任何抖動，都將使眼圖更閉合并使數(shù)據(jù)有效窗口和有效位時間變得更窄，從而導(dǎo)致接收端出現(xiàn)誤差。

 

圖2. CLK采樣

 

現(xiàn)在，讓我們檢查何時需要將通道或互連視為傳輸線，并查看在智能手機或平板電腦等系統(tǒng)中傳輸損耗的一些主要原因。

 

高頻和傳輸線

 

低頻設(shè)計是指波長遠大于線長度且PCB走線和互連的電阻與頻率無關(guān)，因此傳輸線的影響可以忽略不計。

 

高頻設(shè)計是指波長遠小于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于給定應(yīng)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，并考慮所有頻率相關(guān)元件，包括寄生電容和電感及其對信號衰減的影響。

 

另一種確定在什么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(shù)納米工藝節(jié)點中，高數(shù)據(jù)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，其傳輸速度取決于其周圍材料的介電常數(shù)。傳輸速度的公式是

 

圖3. 傳輸線上的波速

 

自由空間（介電常數(shù)為1）無損傳輸?shù)牟ㄋ偌s為3 x 108 m/s，不同于介電常數(shù)為4的傳輸線的波速，后者導(dǎo)致波速降低一半或1.5 x 108 m/s。

 

在自由空間對比在PCB傳輸?shù)牟ㄋ俨町悓?dǎo)致稱為傳播延遲 (Td) 的時間延遲，Td取決于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(xiàn)在，當一個信號 (CLK) 在外層傳播而另一信號 (Data) 在內(nèi)層傳播時，若我們在一側(cè)具有自由空間而在另一側(cè)具有介電常數(shù)時，情況會怎樣呢？

 

在許多設(shè)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(chǎn)生延遲和偏差。由于信號速度降低、串擾或介電材料吸收的任何能量而導(dǎo)致的時序偏差或任何其他損耗都會同時產(chǎn)生稱為抖動的時序和幅值偏差。

 

圖4. 抖動

 

在這里，設(shè)計人員必須匹配一系列信號之間的飛行時間。由于內(nèi)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(yīng)

 

如果我們查看稱為C1的給定導(dǎo)體的一部分并通過它發(fā)送電流I(t)，根據(jù)安培定律，將會產(chǎn)生與通過導(dǎo)體的電流成比例的磁通量。

 

如果我們僅考慮一個導(dǎo)體，附近沒有其他導(dǎo)體，那么通量線 (B1) 將在導(dǎo)體C1中沿與磁場B1相反的方向產(chǎn)生循環(huán)渦流。

 

圖5. 趨附效應(yīng)引起的電流重新分布

 

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

 

圖6. 由于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，并且是位置 (x) 和時間 (t) 的函數(shù)。傳輸線的特征阻抗 (Zo) 是與頻率相關(guān)的電阻，是傳輸?shù)碾妷翰ㄅc傳輸?shù)碾娏鞑ㄖ?/div>