高速互连通道信 完整性问题：微带线、过孔建模分析

随着高速电子系统工作频率的不断提高和信 边沿翻转速度的加快，高速数字 PCB 的互连设计对整个系统电气性能的影响也越来越大。对于低速电路，PCB 板的互连线可以看作是简单的金属导线，仅仅起着电气连通的作用。但是，在高速电路中，互连线就不能仅仅当作金属导线，而需要作为传输线来处理，由于封装、微带线、过孔、连接器等的寄生效应影响以及损耗，导致接收信 波形不完整和系统时序上的错误。因此，高速系统设计尤其是 PCB 进行板级和系统级设计时，必须考虑互连效应所引起的信 完整性问题。

文章对高速互连通道的信 完整性问题进行了研究，着重以数字激励源与 D/A 转换器评估板互连通道为例，分别对组成高速互连通道的微带线、过孔进行了建模分析。同时创建了整个高速互连通道的仿真模型，对高速互连通道的时域响应进行仿真，生成数据眼图，通过数据眼图评估传输通道的信 质量。

信 完整性的定义

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信 完整性是指传输系统在信 传输过程中保持信 时域和频域特性的能力。它表明信 通过信 线传输后仍能保持其正确的功能特性，即信 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 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 完整性。反之，信 能正常响应时，就出现了信 完整性问题。

根据信 完整性的定义，我们要关注两个方面的问题：信 质量和信 时序。保证可靠的高速数据传输是信 完整性分析的目的。信 完整性实质上与振铃、串扰、地弹和电源噪声有关。因此，信 会受到电路逻辑系列、电源传输 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 抖动，从而导致开关误动作和逻辑错误 。

1.信 质量

信 质量就是分析接收端得到的电压波形，确保接收端正确采样，如图 1 所示指出了信 完整性分析的主要问题。

（1）V>V max 或 V

（2）V>V hmax ：过冲；

（3）V hmax >V>V inh ：逻辑“l”；

（4）V inh >V>V inl ：逻辑状态不确定；

（5）V inl >V>V lmin ：逻辑“0”；

（6）V

此外，信 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。

图 1 信 完整性示意图

2.信 时序

时序完整性：以同步时钟信 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。

高速互连通道建模及眼图分析

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图 2 高速互连通道示意图

1.微带线建模

面对日益升高的数字电路频率和复杂的寄生效应，无导体损耗和介质损耗的理想传输线是不存在的，图 3 所示为传输线的微分段等效电路模型。其中，串联电阻 R dz 代表由于导线电导率有限而引起的损耗，并联电导 G dz 代表由于分隔导线和地平面的介质阻抗有限而引起的损耗，串联电感 L dz 代表磁场，并联电容 C dz 代表导线和地平面之间的电场 。

图 3 传输线的微分段等效电路模型(RLCG 模型)

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。

图 4 PCB 板导入 Siwave 工程图

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 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。

图 5 微带线 S11 参数

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

2.过孔建模

过孔是指 PCB 板上钻的小孔，用于连接 PCB 板的不同叠层。典型的过孔由金属柱、焊盘和反焊盘组成。由于通孔的不连续性结构，当其在低频情况下我们完全可以将其看作一条普通的导线，但在高频的情况下通孔则会产生寄生电容和电感，通孔寄生电容估算如下：

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。

图 7 过孔建模

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 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 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

3.整个高速互连通路后仿真眼图分析

根据前面提取的微带线、过孔模型结果以及厂商提供的连接器模型，加入驱动端 xlinx virtex5 IBIS 模型，接收端 D/A 转换器 IBIS 模型以及加入激励信 PRBS (伪随机码源)，并设置属性如下：数字 0 电压V 1 =0 V；数字 1 电压 V 2 =2.5 V；信 上升和下降时间t RF =0.01 ns；信 脉冲宽度 PW=1.6 ns；随机码初始种子SEED=0。导入 Ansoft designer 中最终得到整个链路仿真电路图，如图 10 所示。

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

通过运行瞬态仿真并创建眼图，结果如图 11 所示。从图 11 可知，经过微带线、连接器、过孔传输通道后，眼圈逐渐闭上，信 抖动比较明显，信 质量逐渐劣化。因此，我们对 PCB 板进行了优化：高速信 采用差分线设计的同时，当差分线离开 IC 或连接器时，应尽早靠近在一起走线保持平衡性，这有助于消除反射并抑制共模噪声；互连线改变传输方向时，采用 45°拐角或者是弧形拐弯；差分对的两根导线之间的距离应当保持恒定，避免差分阻抗的不连续性；如果走线中过孔不能避免，则尽量优化孔径尺寸、焊盘和反焊盘，使得过孔阻抗与传输线阻抗保持一致，使信 衰减最小；高速信 周围多打接地过孔，使信 有最短的回流路径和最佳的传输性能。选用连接器时，应选用损耗较小的高速连接器。

此外，适当的端接策略以及系统中各部分的优化，可以达到信 完整性的优化，解决或降低信 振铃、反射、传输延迟、串扰、噪声等问题。通过一系列的优化，再次仿真得到图 12，从图中我们可知，眼圈张开，眼幅度增大，抖动减小，信 质量得到改善。

最后

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通过对高速互连通道的仿真分析得知，随着信 频率的增加，影响互连的因素越来越多，研究互连对信 完整性的影响也更加复杂 。

PCB 设计者需要更加熟悉高频条件下互连的影响，并且使用更为准确的互连模型、有效的仿真工具和科学的分析方法，才能提高系统工作的可靠性，保证产品一次设计成功。