原创 高速信号传输中的新材料特性仿真与预测

高速信号传输中的新材料特性仿真与预测

                              河海大学    徐国闯   李东新

【摘要】 随着处理器时钟频率的日益提高，在现今的通信系统中3.125Gbps、6.25Gbps等高速串行信号均已比较普遍。本文首先从理论讲述了高速信号在传输过程中要遇到的问题，

然后通过一个高速链路设计的项目，讲述了如何利用LeCroy示波器和仿真相结合的方法，快速的给出项目方案的可行性评估报告。

【关键字】   趋肤效应  透入深度  耗散因子  眼图    S参数

1.      前言

随着信息速率的日益增加，信号的速率也越来越快，而随着信号速率的增加，信号完整性问题变得日益突出，这是在以往低速信号设计中很少发生的问题。因此硬件设计工程师也会越发感觉到信号完整性是阻碍研发进度的一个重要问题。如何来在设计之初就能有效解决这个难题呢？这时高速信号仿真和测试就显得非常的关键。

2.      传输线的损耗

    高速信号在单板上主要受到传输线的R、L、G、C分布参数、介质损耗、透入深度、趋肤效应等的影响。使经过传输线的信号出现频率选择性衰弱，即信号的高频能量衰减较大，低频部分衰减较小。

有损传输线的分布参数R，L，G，C参数在高频时绝不能忽略，同时由于电压为减幅波，随着传输线其能量会衰减，幅值降低。传输线的模型如图1所示：

    传播常数：

阻抗参数

特性阻抗为复数，不再为纯阻性。

  介质损耗是信号发生损耗的一个重要的因素，通用的介质为FR4材料。介质材料不是绝缘体，存在一定的电阻，通常用电导率或电阻率表示。因此信号通过它时存在一定的漏电流。在高频时电导率随着频率的升高而提高。材料的这种电气特性称为耗散因子，通常用损耗角正切（）来表。

  透入深度也是一个重要的因素，电磁波从导体表面向导体内部传播，经过一段距离后，其值衰减到表面值的（%），这段距离称为该导体的透入深度。由于电磁波在导体中有一定的透入深度，在导体内部电场及磁场分布不均，愈深入导体内部，场能量愈小，即场的分布比较集中在导体表面附近，称为趋肤效应。趋肤效应是由电流流经最低阻抗路径的要求促成的，而在高频段，路径的阻抗主要有回路的电感决定。这种机理也驱使电流在返回路径中重新分布并随着频率而变化。直流时，分布在整个返回平面上。高频段，在趋肤效应的制约下，返回路径的电流将集中分布在靠近信号路径的表面上；这样可以使回路电感最小。

  由于传输线以上的特性，有损传输线类似一个低通滤波器，它对低频信号的能量衰减较小，对高频信号能量的衰减较大。一个矩形脉冲信号经过有损传输线后的结果如图2所示。

                                                            有损传输线

图 2  矩形脉冲经过有损传输线

3.      高速仿真在实际中的应用

在一个实际的交换板的设计研发过程中，PCB单板的结构尺寸较大，在项目研发初期没有充分考虑到信号的SI问题，单板上的3.125Gbps的高速串行信号的走线长度在10700mil—17000mil之间，再后来的实际测试中发现，当传输线长度约为15000mil时，在接收端的测试到的结果如图3所示，信号在上升沿处衰减较大（信号的高频能量较多），信号严重触及眼图模板。实际的系统级联测试中，误码率较大，整个系统无法正常工作。由于项目时间紧，重新改版的时间太长。因此，考虑通过更换好一点介质材料。即把原来的FR4（Dk≤2.35，Df<0.0025）介质更换为Nelco N4000-13Si（Dk≤3.2（2.5GHz），Df<0.008(2.5GHz)）介质材料。并通过仿真研究结果是否可行。

图 3 接收端眼图 由LeCory SDA6000A示波器测试

    主要的测试仿真工作分为以下几个步骤：

l         传输线模型的建立

利用Ansoft公司的SIwave软件，根据传输线的实际几何结构及介质材料特性等建立三维模型，提取其无源S参数模型。单板实际的传输线的长度在10700mil—17000mil之间我们提取了四根传输线的S参数。其结果如图4所示。

图 4   S参数仿真参数结果

l         仿真激励源模型的建立

在信号的发送端用LeCory公司的SDA6000A示波器进行测试，在信号的源端直接用100Ohm的电阻作为信号的匹配负载。测试点如图5所示。把测试得到的结果以TXT文本格式存储，存储的文件中是以Time，Ample的格式类型，因此可以对它进行文本编辑，把它转换为PWL格式的激励源。作为HSPICE仿真中的激励信号源。我们把实际测试的结果作为仿真的激励，这样将更有利于我们做仿真和测试结果的验证对比，能够好的验证我们仿真结果的准确度。

l         高速链路的仿真

利用前面的传输线的无源参数模型和仿真激励文件，在HSPICE仿真软件中我们输出整个链路的网表文件。接收端的模型我们用一个100Ohm的匹配电阻来代替（仿真的目的主要是为了预测新的材料是否能有效降低信号的衰减，信号满足接收端的要求所以接收端有一负载电阻代替）。

l         仿真与测试结果的对比验证

在现有的FR4单板上我们找了一个长度为10700mil的传输线，把它接收端的隔直电容移除，同时并联一个100Ohm的电阻，作为接收端，这样使测试和仿真均在同一环境下进行。仿真和测试结果如图6所示。

图6 仿真结果（红色）和测试结果（蓝色）的对比

从图6仿真和测试对比结果来看，测试结果与仿真结果波形幅值相差30左右，在信号‘0101’连续跳变处（信号的高频能量较大）仿真结果幅值略高，是由于 SIwave较高频段提取的S参数略优于实际测试结果。对比结果说明仿真结果还是能很好的预测实际信号。因此基本可以利用这种仿真方法来预测更换材料后的结果。

l         更换材料后的仿真结果

       把FR4介质材料更换为Nelco N4000-13Si，分别进行10700mil和17000mil两个链路的仿真。仿真对比结果如下图所示：

     从上述的仿真结果来看，介质材料更换为Nelco N4000-13Si后10700mil的链路上波形在“0101”连续跳变处增加了约100mv左右。17000mil的链路增加了约140mv左右。

图3的测试结果和图9的仿真结果对比来看（其中测试结果的样本数大于仿真结果的样本数），眼高相差几十毫伏。更好的说明了仿真结果能够很好的预测实际情况。

接收端的芯片眼图模板如图11所示，眼高要求200mv。通过仿真结果可知，更换材料后的信号，即使经过17000mil的传输线，接收端的眼高约为300mv左右，基本能满足接收端芯片的要求。因此通过更换介质材料的方案是可行的。

4.      小结

通过LeCroy示波器和仿真的相互配合，完成整个高速链路的仿真；能够较快较准确的给出新的方案的可行性。在实际的工作中，充分把仿真和测试工作结合起来，利用测试验证仿真结果，同时利用仿真来预测新的方案的可行性。并将测试的数据代入到仿真软件中，这样将形成仿真-测试验证-仿真的良性循环，同时也将极大的提高仿真结果的准确性，从而也加速信号完整性问题的解决，从而缩短项目的研发周期。

参考文献

【1】       <<Signal Integrity – Simplified>>      Eric Bogatin

【2】       <<Digital Communications Test and Measurement>>    Dennis Derickson and Marcus Muller