高速 SerDes 应用中的信号完整性实用指南，第 2 部分

在第 1 部分中，我们探讨了管理高速 SerDes 通道的基本特征。本文重点讨论需要额外分析、建模和补偿的现实问题，例如寄生效应和阻抗失配。

本系列第一部分中描述的简单情况在实际应用中很少见。当高频信号通过非理想路径(例如 PCB 通孔)时，事情会变得更加复杂，PCB 通孔充当从 PCB 一层到另一层的导体，从而产生阻抗变化。

图 1展示了 PCB 中常见的层、走线和过孔。除了每次转换时的阻抗变化外，信号还受到自电容和互电容和电感的寄生效应的影响。

图 1这些是 PCB 中常见的层、走线和过孔。

对于许多应用，我们可以使用称为“集总元件”的技术创建一个模型来解释这些影响，该技术试图捕获任何系统中存在的组合寄生电感、电容、交流皮肤电阻和直流电阻(图 2))。寄生电容 (Cdx) 可以改变通道的电流分布，从而导致传输线的特性阻抗发生变化，进而导致 Zo(行进电压与行进电流之比)发生变化。

图 2集总元件技术试图捕获组合的寄生电感、电容、交流皮肤电阻和直流电阻。

图 3说明了当集肤效应降低输入信号的幅度时，通道中存在的寄生电感如何降低负载两端电压的上升和下降时间。除非以某种方式得到补偿，否则这些寄生效应会降低接收器电路准确重建时钟和数据信号所需的锐边。

图 3寄生效应会降低时钟和数据信号的锐边沿。

电压反射系数

当高频信号在不同通道元件之间传递时，例如从 PCB 走线到过孔，然后返回到不同 PCB 层上的走线，每次转换时的阻抗都会发生变化。通过控制这些寄生效应并正确端接传输线，它可以以最小的失真传输信号。

当终端阻抗(ZL)不等于线路的特性阻抗(Zo)时，会产生一对反射电压和电流波，与源信号结合，从而使信号失真。

公式1

注意，当ZL等于Zo时，电压反射系数为零。这表明所有的入射波都被匹配的负载终端吸收(即所有传输的能量都被接收)。当信号的电压波和电流波以适当的相位关系一起传播并到达终端阻抗时，总入射波加上 V/I 的任何反射波必须等于 ZL。

图 4当信号的电压波和电流波一起传播并以适当的相位关系到达终端阻抗时，总入射波加上 V/I 的任何反射波必须等于 ZL。

阻抗失配和反射

为了了解阻抗匹配和失配的影响，我们考虑一条 50 欧姆传输线，其端接为 150 欧姆终端阻抗或过阻尼电路(图 5)。为了简单起见，我们将电池的阻抗设置为零，这将反射波驱动回负载。对于此示例，我们设置波传播给定长度的时间延迟 (td=距离/Vp)。现在，让我们关闭开关，看看负载上会发生什么。

图 5查看一系列连续的反射波将有助于我们了解阻抗匹配和不匹配的影响。

图 6中的波形说明了源与终端阻抗之间的连续反射所生成的一系列波如何与源信号结合并降低源信号的质量，同时还在信号线上产生振铃。

图6波形显示反射引起振铃。

当计算终端和源处的反射系数时，我们可以确定到达终端的入射波的数量，以及将反射回源的波的幅度。

了解这些值非常重要，因为过冲振铃会产生更高的电压，从而可能使电子设备过载，或者产生更多的辐射，从而在相邻走线之间产生更多的串扰。下冲可能是由瞬态响应期间的振铃或电压轨下降引起的。其中任何一个都会增加信道出现较高误码率的可能性。

转接司机

对于许多移动应用来说，以 dB 为单位计算的总损耗预算结合了所有互连通道损耗，可以成为理解设计的宝贵工具。损耗预算包括从硅到连接器的路径中的所有内容，例如硅封装、PCB 走线、过孔、柔性线路、共模滤波器和连接器。在此示例中，我们将使用 USB 3.1 Gen 2 通道，运行速度为 10 Gbps。

为了在不限制 PCB 尺寸和器件布局的情况下保持良好的信号质量，采用转接驱动器来增强必须穿过长通道的信号是最具成本效益的解决方案。在智能手机或平板电脑等典型应用中，高 USB 连接的高速信号从 APP 处理器的封装和引脚传输到 PCB 走线，然后通过过孔、连接器、柔性电缆和 USB 连接器(每个连接器)。其自身的阻抗不匹配。因此，信号在通过外部 USB 电缆之前可能已经降级。

图 7该图显示了典型的信号路径和信号衰减。

当信号通过通道传播时，它们会经历衰减，并且根据通道的长度，衰减可能足够大，导致高数据速率下的信号完整性问题。这种类型的损失通常可以通过再驱动器来补偿，再驱动器是一种信号放大器/调节设备，可以恢复变得太弱的信号。通过提高信号幅度并锐化其上升沿和下降沿，它可以使其传播得更远，并通过打开眼图来降低误码率。

图 8使用转接驱动器可以改善眼图的张开度。

转接驱动器通常配备可编程差分输出电压电平，有助于使驱动强度与线路阻抗和走线长度保持一致，并均衡信号。但请记住，虽然增加驱动器的差分输出电压幅度将有助于改善接收信号，但它也会增加噪声和抖动。

保持可接受的信号完整性需要仔细注意集肤效应、匹配终端、反射、过孔、串扰、耦合及其对信号衰减的影响。当走线长度约为信号波长的 1/10 时，任何互连都应被视为传输线。

影响信号完整性的因素，例如通道损耗和阻抗失配引起的信号反射，会在从处理器通过 PCB、通孔、柔性电缆到电缆的任何数据传输过程中发生，反之亦然。对于接口而言，在整个信号路径中保持阻抗匹配至关重要，以防止反射并提供最大功率传输。任何阻抗不匹配都会导致线路反射，从而增加抖动并可能损害信号质量。

如果没有转接驱动器，则很难或几乎不可能以 >10 Gbps 的数据速率通过系统电气和协议合规性测试。当在没有转接驱动器的情况下进行短通道和长通道测试时，具有高数据速率的给定信号的总传输通道距离可能会受到限制，不同设备之间的互操作性机会较低。