信号参考电源层的仿真分析

1、大多数layout工程师以及SI/硬件工程师都知道，信号除了不能跨分割层布线之 外，一般还不容许参考电源层布线的（当然，这里指的高速高频信号），为什么不 能参考电源层？究竟会带来多大影响？如果叠层空间限制的情况下可以容许哪 些信号参考电源？针对这些问题，本篇将结合ANSYS/Ansoft仿真软件进行理论 及仿真方法介绍。1参考电源层的回流路径首先，从信号回流路径的角度开始基本理论的回顾。一个简单四层PCB信号通过过孔换层参考电源，具信号的回流路径如图 1示意：GNDPOWER图1信号回流路径由上图可见，当高速信号在信号线上传播时，在信号电流向前传播的过程当中，由于与参考平面之间存在容性耦合，所

2、以当发生 dV/dt时，就会有电流经耦 合电容流向参考平面的现象，传输线正下方位置都会有瞬态电流流回到源端电路。如果信号的参考为电源平面，那么信号回流将首先流向电源层，然后再通过电源 与地网络之间的Cpg流向地网络，最后再经地层流向源端电路，最终形成一个 完整的电流回路。我们都知道，控制好高速信号的回路阻抗非常关键，因为它直接影响到信号传输特性。当信号参考电源层布线时，回流路径当中对信号影响最大的就是 Cpg电源与 地网络之间的容性通道。它可以是电源地网络上分布复杂的退耦电容，也可能包 含电源地层平面之间的平板电容，构成非常复杂，在各个频点所表现的阻抗特性 都不一样，难以量化与控制。所以不建议

3、高速信号参考电源。卜面通过仿真软件来帮忙我们看看具体信号传输差异那么究竟有多大影响， 的情况2,参考电源层的仿真分析2.1 基础研究模型的建立有了以上理论了解之后，接下来通过仿真技术协助研究，到底参考电源层会 跟信号传输带来怎样的影响？为了说明问题，把模型简单化，这里利用板级仿真工具SIwave的自行建模功能（也可通过版图工具画一个类似 PCB走线再导入）建立一个简单的10X10 四层PCB,叠层分布为SIG/GND/PWR/SIG ,第二层全部为地，第三层电源平面 为一小块不规则平面，如下图，并布置两根传输线，一根为表层走线，此案例中， 它属于完全参考地层平面的微带线，一根为表层走线经过孔到

4、底层走线的微带线， 属于部分参考地层又部分参考电源层的走线。 即建立了我们需要研究的参考电源 的信号模型。如图2所示：Layers霾跳走线Gid,声a ¥国W眄X 二一.Prapenti赛展鲤过孔到雇层走线第三层电睥平面图2简单的四层PCB模型2.2 回流仿真分析通过SIwave2014以上版本的AC CURRENTS功能可以进行信号回流路径 的仿真分析，只需要在两条传输线两端分别添加相应频率的信号源和负载，即可仿真得到信号源传输时，各个平面层上的电流分别情况。如图3所示，显示为地 层的电流分布，跟前面理论分析结论非常一致。完全参考地层的传输线，回流路 径主要集中在走线正下方，而参考

5、电源层的信号回流会经电源地耦合到地层上， 所以在电源与地层重叠的地方分布， 不同频点的回流分布也不尽相同，这势必会 影响信号传送质量，同时也可能对外界电路造成干扰。图3信号回流分布图2.3频域S参数分析通过对两条传输线建立端口，然后利用 SIwave的HFSS 3D Layout （超高 频段，还是HFSS精度更让人放心，并且3D layout在模型编辑便捷性及求解 效率方面提升很多，不用再在HFSSI面纠结波端口 /集总端口的建立）进行SYZ 参数分析之后观察两者之间的插入损耗 S21的差异，如图5:图4 HFSS 3d layout自动建立的三维模型图5两条传输线的S21曲线通过观察S21

6、曲线，可知在1GHz以下两种走线的传输差异并不太大（这 里的频率是指单频点正余炫波，而非方波/时钟频率）。频率越高，S21差异相 对越大，尤其是在突点尖峰频率。为什么会有这些尖峰？实际上是来源于电源地 平面之间在尖峰频点的谐振，当回流流经这些谐振频点时，自然会有较大的能量 损耗。通过SIwave的谐振分析功能也可进一步验证这一论点，如下图6, SIwave分析得到的谐振频点，尖峰频点基本都在其中。Re Free EHeE Pneq (GHz-kWsveierol-I fri)ai1 075251&64O.EJ 11037333Z2 535pWM028114344B 712ZTO 70D

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9、 plianes; criQjHlpUtd.and图6 SIwave的谐振分析结果实际上，观察频域曲线差异并不是很直观，因为它们比较的是单频点的传送 差异，而通常我们传输的是宽频带的类方波信号，所以在时域上进行波形的对比验证才是最关键的，也是最直观的。下面通过designer软件导入两条传输线的S参数模型，然后分别施加同样的理想信号源以及50ohm的负载端接，进行时域上的眼图分析，如图7建立仿真电路，观察不同传输频率情况下的差异NET-1hslET-1 ONET-2OJET-2 O图7 Designer建立的时域仿真电路完成仿真之后，观察10Gbps信号传输眼图，如图8,可以发现参考电源层 的传输线，接收眼图的眼睛张开程度已经变得更小，并且眼皮也更粗，抖动加大， 如果添加信号源抖动，或信号线再长一些，再经过连接器或过孔或封装这些阻抗 不连续互连结构，那么很有可能就会出现信号完整性问题。随着频率的下降，两者传输信号的质量差异也在逐渐减小，如下面5Gbps和IGbps信号眼图。图8传输10Gbps信号的眼图差异q 444 49W*giW =84S44dd1 f*,nraiwi1iM£l44iT5D 44图10传输IGbps信号的眼图差异图9传输5Gbps信号的眼图差异综上所述,信号参考电源层会跟信号质量带来影响，电源地层之间的阻抗会是影响的主要因素,信号频率越高