信号完整性（SI）讨论的是发射机和接收机之间的路径（通道）上可能发生的信号退化的损耗及类型。在理想状况下，接收机能在瞬间收到发射机发送的信号，且信号不会发生变化。在发射机和接收机上都会采用均衡方法，以帮助纠正通道损耗。但均衡方法也有其局限性，且通道仍然必须具备最低水平的性能。SI工程师面临的挑战包括如何表征通道中的信号损耗，以及如何确定影响性能的关键因素。在仿真和测量中使用时域和频域分析可以帮助工程师迅速掌握给定通道的设计。
仿真建模
从仿真开始，我们可以构建测量通道、EM仿真和/或算法模型的分布式模型。它们级联在一起，以预计通道性能。我们从输出眼图可以看到总体性能，并可以通过改变数百个变量来进行蛮力仿真，从而找到最佳性能。更好的方案是运行快速时域和频域分析，以深入了解并减少需要仿真的设计空间。图1所示为如何运用时域反射计（TDR）和时域透射（TDT）来获得空间信息，了解信号在经过通道传输时会发生什么变化。TDR显示出发生反射的位置，这使得到达发射机的信号量下降。TDT显示出通道中的材料损耗如何影响到上升时间。相邻通道上的近端串扰（NEXT）显示出哪些分量可能会因为在时间上与分量的TDR反射一致而造成噪声耦合。
图1、物理通道的分布式模型及生成的TDR和TDT。
这是对时域分析功能的高度概括。要成为解析TDR/TDT和频率相关损耗方面的专家，有一些简单仿真可以提供帮助。通道中发生的两种基本类型的阻抗不连续分别是阻抗的串联变化和信号路径分支的残根（stub）。从小于信号上升时间的长度到远大于信号上升时间的长度对串联阻抗不连续进行仿真，可以得到两个截然不同的时域和频域响应。随着不连续的长度逐渐变得比信号的上升时间短，反射会变小，传输通过的信号增多（见图2a）。如果长度更长，串联阻抗不连续两端会出现双重反射，从而生成时间延迟的正向行波，并会添加到进入接收机的信号中（参见图2b）。这会导致信号幅度对应频率产生波动。波谷所处的频率位置上，正向行波与相位偏移180度且分解性地添加（参见图2c）。
图2、串联阻抗不连续的TDR和眼图，（a）长度小于信号上升时间，（b）长度大于信号上升时间。相同不连续的插入损耗（c）。
残根谐振器也表现出一些相同的特性。如果残根比上升时间短，反射减小，更多信号进入接收机（参见图3a）。如果残根比上升时间长（参见图3b），则会导致明显的损耗，其中，残根末端的反射会100%无损添加到正向行波上（参见图3c）。
图3、残根阻抗不连续的TDR和眼图，（a）长度小于信号上升时间，（b）大于信号上升时间。相同不连续的插入损耗（c）。
通过仿真，可以采用同样的过量电容和增量阻抗变化很容易地构建残根和串联阻抗不连续，从而将这两种类型的结构在时域和频域中进行比较。不仅TDR峰值高度会有关系，之后发生的双重反射的详细信息也有关系。利用这两个简单的仿真，SI工程师就可以查看接收机上的眼图、S参数频率响应或TDR/TDT时域响应，然后判断问题是出在串联阻抗不连续还是残根阻抗不连续。
找出EMI的原因
工程师也可利用TDR/TDT提供的空间信息，来理解和诊断物理通道的EMI问题。虽然在高速串行设计中EMI有许多潜在来源，但最典型的来源是差分通道生成的公共电流所造成的辐射。外部双绞线上一个低至10毫伏的公共信号都可能会导致FCC认证测试失败。从理论上讲，如果驱动器生成完美的差分信号，且信号通过完美的差分通道，那么不会有公共信号产生。不过，在实践中这种情况很少出现。
假设驱动器是完美的，并且只考虑通道的话，耦合差分通道中的任何不对称都会将某些差分信号转换成公共信号。这被称为“模式转换”（参见图4）。模式转换通常是因耦合线路上的不对称引起的，如不相等的线宽和/或线长，不同的“局部”有效介电常数，或接地面的不连续。TDR可以通过两种方式提供帮助。
图4、耦合差分传输线中的不对称会在输出端生成公共信号。
第一种方式是确定是否存在模式转换。使用TDR，可对端口1上的通道采用差分信号进行仿真，并测量端口2的共模响应。图5所示为一个典型背板的测量结果。从这些测试结果可以得出三个结论：
• 通道内存在模式转换
• 公共信号和差分信号以相似但不完全相同的速度传输
• 差分激励的边缘速度对模式转换的影响不大。
图5、背板上测得的TDT响应，所示为差分和共模响应（a）以及对应激励上升时间的共模响应放大图（b）。
第二种方式是查看反射信号，从而判断是被测器件（DUT）中的什么引起了模式转换。图6所示为在端口1使用差分信号激励被测器件，并测量端口1的差分和共模反射信号的结果。随着激励传播通过该通道，遇到的不对称会生成一个公共信号。这个公共信号的一部分会传播到端口2，一部分会传播到端口1，并在此作为TCD11进行测量。由于公共信号的速度与差分信号的速度相近，所以根据与公共信号重合的阻抗分布特征可判定模式转换的原因。在此例中，模式转换是由子卡和背板中的过孔场造成的。
图6、使用TDR找出模式转换的原因。
夹具的影响
最后，成功进行分布式通道仿真和测量的关键是只测量被测器件的能力。在高频下这一点可能非常具有挑战性，因为夹具开始成为信号衰减的一大源头，需要先进的校准技术将夹具效应从测量中移除。
为了去除测量中测试夹具的影响，工程师们开发了许多不同的方法。这些方法主要分为两类：直接测量（测量前处理）和去嵌入（测量后处理）。去嵌入采用测试夹具的模型，以数学方式从整个测量中去除夹具的特性。对于非同轴被测器件，这个夹具去嵌入过程可以得出非常精确的结果，无需复杂的非同轴校准件。直接测量技术则需要将专门的校准件插入到测试夹具中进行测量。器件测量的精度取决于这些物理标准件的质量（参见图7）。
图7、用于去除夹具对被测器件测量结果影响的众多纠错技术的评估。
最常见的校准方法为TRL，即传输（或直通）、反射和线路。TRL标准件的限制在于，连接器和发射端子（launch）都相同，直通和线路标准件中使用的所有传输线具有相同的阻抗、损耗和传播常数，区别仅仅在于长度。所需线路的数量取决于校准套件所覆盖的频率范围。每条线路的可用频率范围是通过线路标准件与直通标准件的相位比较来确定的。在微波测试应用中，使用矢量网络分析仪（VNA）和TRL校准技术的历史已经有40多年。TRL校准技术只由短传输线路的特性阻抗决定。根据两组短传输线长度的双端口测量和两个反射测量，可以确定完整的12项误差模型。由于校准件非常简单，TRL可在分散传输介质中应用，如微带、带状线和波导。随着精密同轴传输线的出现，从1975年开始，TRL可以提供最高精度的同轴测量。
最近开发出来的一种校准方法称为差分串扰校准（也称为差分TRL），它是使用差分代替单端结构来进行共模单端TRL。差分TRL是为数不多的几种校准算法之一，与自动夹具去除（AFR）方法结合使用，可以去除耦合。前面提到的单端TRL限制条件同样适用于此差分方法。由于这些是差分标准件，因此还有额外的限制：无论是共模转换为差分还是差分转换为共模，模式转换应当为-30dB或更好。线路之间的偏移必须小于10度。与单端TRL校准套件一样，夹具可以不对称（左、右半边夹具的长度或阻抗无需相同），但夹具需要上下对称（即差分对的一条腿至另一条腿）。
最新一代的AFR算法通常被称为“单端口AFR”。这里说的单端口可以是单端端口，也可以是差分端口，但在两种情况下都无需直通测量。这使得误差纠正更简单、直接，因为用户可以简单地使用开放式夹具作为参考标准件，从而节省设计时间和制造成本。与单端AFR类似的是差分自动夹具去除方法。这个方法的不同之处在于直通为差分，因此，夹具上存在的任何耦合会在此过程中去除。除了需要对称（左右对称）之外，与单端AFR一样，直通也必须上下对称。而且这种方法的实施和构建同样比相应的多TRL结构更加省时省力。
过去进行的设计案例研究展示了一种应用，所制造的2x直通夹具的典型的PCB制造公差为目标阻抗的±10%。这意味着100V的差分阻抗可以高达110V或低至90V，2x直通阻抗波动达到20V。更重要的是，要去除的夹具与制造的2x直通之间存在明显的区别。通常情况下，TRL和AFR中的一个主要假设是，夹具和校准2x直通标准件具有相同的阻抗。校准算法中的另一个突破在于，夹具和校准2x直通标准件之间的阻抗差异是可以容忍的。这就提供了更大的灵活性，通过避免多次转换校准2x直通标准件的电路板来提高精确度，减少实施时间。这种增强的AFR算法将夹具A+被测器件+夹具B的原始测量与2x直通进行比较。通过指定表征夹具不等于被测器件测量夹具，AFR会使用实际夹具的阻抗，并允许存在适当的阻抗以完成纠错。在时间t=0之前出现错误响应的因果问题大大降低（参见图8）。这种创新功能为自动去除夹具和提高S参数精度带来了新突破。
图8、TDR响应前（a）和响应后（b），显示出使用增强AFR算法后，非因果特性减少。
信号完整性工程师在实验室中可以使用许多工具来简化操作1。微波传输线知识、校准和纠错技术以及对于时域的理解，在识别问题的根本原因并解决问题上具有重要作用。仿真和测量技术可以帮助更深入地理解高速串行通道。
参考文献
Mike Resso and Eric Bogatin, “Signal Integrity Characterization Techniques,” 2nd edition, International Engineering Consortium.
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发表于 2016-11-25 11:16:32
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