高速信號跨溝及信號回流的基本概念

一、高速信號跨溝及信號回流的基本概念

下圖所示為一個(gè)信號流向及其回流示意圖?；诨鶢柣舴蚨桑?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流是閉環(huán)的，也就是說任意一個(gè)電路的節(jié)點(diǎn)只要有電流流出就一定會有電流流入，返回到節(jié)點(diǎn)（通常是驅(qū)動(dòng)器）的電流通常就叫返回電流。，且高頻電流總是沿著最小的環(huán)路面積移動(dòng)，高頻返回電流通常是沿著阻抗最小的路徑返回。

對于一個(gè)同軸電纜，其芯線為電流流動(dòng)路徑，而外殼的地就是返回電流的流動(dòng)路徑，所謂信號跨溝也就是返回電流的路徑被斷開或者是有部分溝槽；對于一個(gè)PCB板上的高速傳輸線來說，其電流流動(dòng)路徑為PCB板上的傳輸線，電流返回路徑通常為與傳輸線相鄰的地平面或者電源平面層（也稱為傳輸線的參考平面），當(dāng)與傳輸線相鄰的參考平面層有溝槽等不完整現(xiàn)象時(shí)，返回電流的路徑就可能被破壞，這時(shí)候也稱高速信號跨溝。

如圖1所示，當(dāng)返回電流路徑被斷開或者被溝槽阻隔時(shí)通常稱為高速信號跨溝。

圖1、信號流向及回流路徑示意圖

當(dāng)高速信號發(fā)生跨溝現(xiàn)象時(shí)，整個(gè)電流的環(huán)路面積將增加，通常系統(tǒng)的EMC輻射也將增加。同時(shí)傳輸線的特征阻抗也將發(fā)生變化（如下圖2所示為信號線阻抗變化曲線），信號遇到傳輸線特征阻抗突變點(diǎn)時(shí)將發(fā)生發(fā)射、振鈴等信號完整性問題。

Lecroy WE100H-TDR測得的PCB傳輸線阻抗變化示意圖

那么高速信號跨溝對信號的眼圖、抖動(dòng)、上升時(shí)間等影響是否很大呢？下面我們使用Lecroy的最新款示波器WP760 ZI 來實(shí)測下一個(gè)3.125Gb/s的XAUI信號跨越分割平面后的眼圖、抖動(dòng)、頻譜等參數(shù)變化情況以及一個(gè)快沿信號（Lecroy的WP760 ZI自帶有一個(gè)SMA輸出接口可以發(fā)出一個(gè)上升時(shí)間為70ps左右（20%-80%），見下圖3），可以很方便的用作快沿調(diào)試信號。

Lecroy WP760 ZI輸出的快沿脈沖信號

二、3.125Gbits/s XAUI信號跨溝時(shí)眼圖抖動(dòng)等參數(shù)的變化

1、眼圖

XAUI信號未跨溝時(shí)的眼圖及相關(guān)參數(shù)（左）

以及有跨溝且溝槽寬度為120mil時(shí)的眼圖及相關(guān)參數(shù)（右）（結(jié)果為Lecroy WP760 ZI測得）

從圖4可看出，信號跨越溝槽以后，眼圖的張開度有明顯減小，眼圖各項(xiàng)參數(shù)均有一定程度的惡化，眼高降低了40mv左右（通常XAUI信號規(guī)定接收端的信號幅度不低于50mv），眼寬也降低了20ps左右（大約為1/16UI），可見參考平面上的溝槽對信號眼圖的影響還是非常明顯的。

2、抖動(dòng)XAUI信號沒有跨溝情況抖動(dòng)測試結(jié)果如下圖5所示

圖5 XAUI信號沒有跨溝時(shí)的抖動(dòng)測試結(jié)果（測得總體抖動(dòng)Tj為219.4ps，固有抖動(dòng)Dj為141.3ps）

XAUI信號有跨溝情況（溝槽寬度為120mil）抖動(dòng)測試結(jié)果如下圖6所示，

圖6 XAUI信號跨越120mil寬度溝槽時(shí)的抖動(dòng)測試結(jié)果（測得總體抖動(dòng)Tj為255.4ps，固有抖動(dòng)Dj為157.6ps）

從圖5、圖6可以看出，信號跨越溝槽后總體抖動(dòng)Tj增加了約40ps左右，固有抖動(dòng)Dj增加了15ps左右。

3、信號頻譜能量Lecroy的最新款示波器WP760 ZI新增了一個(gè)頻譜分析儀選件，該選件的操作界面非常類似于R&S等頻譜儀，可以很便捷的設(shè)定center frequency、span范圍等，且可以實(shí)時(shí)顯示峰值點(diǎn)的頻率值及對應(yīng)幅度值大小，操作起來非常方便簡潔，界面如下圖7所示：

圖7 Lecroy WP760ZI新增的頻譜分析儀選件

XAUI信號沒有跨溝情況下頻譜能量如下圖8所示所示，

圖8 XAUI信號沒有跨溝情況下3.125GHZ點(diǎn)處的功率譜能量（-49.9dbm）

XAUI信號有跨溝情況（溝槽寬度為120mil）抖動(dòng)測試結(jié)果如下圖9所示，

圖9 XAUI信號跨越120mil寬度溝槽情況下3.125GHZ點(diǎn)處的功率譜能量（-49.5dbm）

從圖8和圖9可見，信號跨越溝槽后，頻譜能量略有增加，可能原因是信號環(huán)路增加，導(dǎo)致外部耦合進(jìn)來的信號能量疊加進(jìn)來或者是由于信號跨溝導(dǎo)致各頻段能量分布發(fā)生變化導(dǎo)致的。

三、快沿脈沖信號跨溝時(shí)抖動(dòng)上升時(shí)間等參數(shù)的變化

1、上升時(shí)間及抖動(dòng)

快沿信號沒有跨溝時(shí)上升時(shí)間抖動(dòng)等參數(shù)的測量，如下圖10所示，

圖10 快沿信號未跨溝時(shí)上升時(shí)間以及抖動(dòng)等參數(shù)的測量

（測得上升時(shí)間為197.5ps，周期抖動(dòng)RMS值為2.59ps）

快沿信號跨越120mil寬的溝槽時(shí)上升時(shí)間及抖動(dòng)等參數(shù)的測量，如下圖11所示，

圖11 快沿信號跨越120mil溝槽時(shí)上升時(shí)間以及抖動(dòng)等參數(shù)的測量

（測得上升時(shí)間為224.3ps，周期抖動(dòng)RMS值為3.19ps）從圖10、圖11可見信號跨溝后，信號的上升時(shí)間和抖動(dòng)受到的影響都非常明顯。3、 頻譜

快沿信號沒有跨溝時(shí)500MHZ左右的功率譜，如下圖12所示，

圖12 快沿信號未跨溝時(shí)500MHZ左右的功率譜

快沿信號跨越120mil溝槽時(shí)500MHZ左右的功率譜，如下圖13所示，

圖13 快沿信號跨越120mil溝槽時(shí)500MHZ左右的功率譜

從圖12、圖13可見，信號跨越溝槽后500MHZ左右頻點(diǎn)的能量亦略有增加。

四、總結(jié)

從上述測試結(jié)果可見，當(dāng)高速信號尤其是快沿高速信號跨越分割參考平面時(shí)，信號的眼圖、抖動(dòng)、上升時(shí)間等均會受到比較大的影響。上述測試結(jié)果給出了一個(gè)比較直觀的測試對比，可供參考。因此在高速設(shè)計(jì)時(shí)為了保持比較好的信號完整性，一定要注意避免高速信號線跨越分割平面。

審核編輯：劉清