高速信號跨溝及信號回流的基本概念

一、高速信號跨溝及信號回流的基本概念

下圖所示為一個信號流向及其回流示意圖?；诨鶢柣舴蚨?，電流是閉環(huán)的，也就是說任意一個電路的節(jié)點只要有電流流出就一定會有電流流入，返回到節(jié)點（通常是驅(qū)動器）的電流通常就叫返回電流。，且高頻電流總是沿著最小的環(huán)路面積移動，高頻返回電流通常是沿著阻抗最小的路徑返回。

對于一個同軸電纜，其芯線為電流流動路徑，而外殼的地就是返回電流的流動路徑，所謂信號跨溝也就是返回電流的路徑被斷開或者是有部分溝槽；對于一個PCB板上的高速傳輸線來說，其電流流動路徑為PCB板上的傳輸線，電流返回路徑通常為與傳輸線相鄰的地平面或者電源平面層（也稱為傳輸線的參考平面），當(dāng)與傳輸線相鄰的參考平面層有溝槽等不完整現(xiàn)象時，返回電流的路徑就可能被破壞，這時候也稱高速信號跨溝。

如圖1所示，當(dāng)返回電流路徑被斷開或者被溝槽阻隔時通常稱為高速信號跨溝。

圖1、信號流向及回流路徑示意圖

當(dāng)高速信號發(fā)生跨溝現(xiàn)象時，整個電流的環(huán)路面積將增加，通常系統(tǒng)的EMC輻射也將增加。同時傳輸線的特征阻抗也將發(fā)生變化（如下圖2所示為信號線阻抗變化曲線），信號遇到傳輸線特征阻抗突變點時將發(fā)生發(fā)射、振鈴等信號完整性問題。

Lecroy WE100H-TDR測得的PCB傳輸線阻抗變化示意圖

那么高速信號跨溝對信號的眼圖、抖動、上升時間等影響是否很大呢？下面我們使用Lecroy的最新款示波器WP760 ZI 來實測下一個3.125Gb/s的XAUI信號跨越分割平面后的眼圖、抖動、頻譜等參數(shù)變化情況以及一個快沿信號（Lecroy的WP760 ZI自帶有一個SMA輸出接口可以發(fā)出一個上升時間為70ps左右（20%-80%），見下圖3），可以很方便的用作快沿調(diào)試信號。

Lecroy WP760 ZI輸出的快沿脈沖信號

二、3.125Gbits/s XAUI信號跨溝時眼圖抖動等參數(shù)的變化

1、眼圖

XAUI信號未跨溝時的眼圖及相關(guān)參數(shù)（左）

以及有跨溝且溝槽寬度為120mil時的眼圖及相關(guān)參數(shù)（右）（結(jié)果為Lecroy WP760 ZI測得）

從圖4可看出，信號跨越溝槽以后，眼圖的張開度有明顯減小，眼圖各項參數(shù)均有一定程度的惡化，眼高降低了40mv左右（通常XAUI信號規(guī)定接收端的信號幅度不低于50mv），眼寬也降低了20ps左右（大約為1/16UI），可見參考平面上的溝槽對信號眼圖的影響還是非常明顯的。

2、抖動XAUI信號沒有跨溝情況抖動測試結(jié)果如下圖5所示

圖5 XAUI信號沒有跨溝時的抖動測試結(jié)果（測得總體抖動Tj為219.4ps，固有抖動Dj為141.3ps）

XAUI信號有跨溝情況（溝槽寬度為120mil）抖動測試結(jié)果如下圖6所示，

圖6 XAUI信號跨越120mil寬度溝槽時的抖動測試結(jié)果（測得總體抖動Tj為255.4ps，固有抖動Dj為157.6ps）

從圖5、圖6可以看出，信號跨越溝槽后總體抖動Tj增加了約40ps左右，固有抖動Dj增加了15ps左右。

3、信號頻譜能量Lecroy的最新款示波器WP760 ZI新增了一個頻譜分析儀選件，該選件的操作界面非常類似于R&S等頻譜儀，可以很便捷的設(shè)定center frequency、span范圍等，且可以實時顯示峰值點的頻率值及對應(yīng)幅度值大小，操作起來非常方便簡潔，界面如下圖7所示：

圖7 Lecroy WP760ZI新增的頻譜分析儀選件

XAUI信號沒有跨溝情況下頻譜能量如下圖8所示所示，

圖8 XAUI信號沒有跨溝情況下3.125GHZ點處的功率譜能量（-49.9dbm）

XAUI信號有跨溝情況（溝槽寬度為120mil）抖動測試結(jié)果如下圖9所示，

圖9 XAUI信號跨越120mil寬度溝槽情況下3.125GHZ點處的功率譜能量（-49.5dbm）

從圖8和圖9可見，信號跨越溝槽后，頻譜能量略有增加，可能原因是信號環(huán)路增加，導(dǎo)致外部耦合進(jìn)來的信號能量疊加進(jìn)來或者是由于信號跨溝導(dǎo)致各頻段能量分布發(fā)生變化導(dǎo)致的。

三、快沿脈沖信號跨溝時抖動上升時間等參數(shù)的變化

1、上升時間及抖動

快沿信號沒有跨溝時上升時間抖動等參數(shù)的測量，如下圖10所示，

圖10 快沿信號未跨溝時上升時間以及抖動等參數(shù)的測量

（測得上升時間為197.5ps，周期抖動RMS值為2.59ps）

快沿信號跨越120mil寬的溝槽時上升時間及抖動等參數(shù)的測量，如下圖11所示，

圖11 快沿信號跨越120mil溝槽時上升時間以及抖動等參數(shù)的測量

（測得上升時間為224.3ps，周期抖動RMS值為3.19ps）從圖10、圖11可見信號跨溝后，信號的上升時間和抖動受到的影響都非常明顯。3、 頻譜

快沿信號沒有跨溝時500MHZ左右的功率譜，如下圖12所示，

圖12 快沿信號未跨溝時500MHZ左右的功率譜

快沿信號跨越120mil溝槽時500MHZ左右的功率譜，如下圖13所示，

圖13 快沿信號跨越120mil溝槽時500MHZ左右的功率譜

從圖12、圖13可見，信號跨越溝槽后500MHZ左右頻點的能量亦略有增加。

四、總結(jié)

從上述測試結(jié)果可見，當(dāng)高速信號尤其是快沿高速信號跨越分割參考平面時，信號的眼圖、抖動、上升時間等均會受到比較大的影響。上述測試結(jié)果給出了一個比較直觀的測試對比，可供參考。因此在高速設(shè)計時為了保持比較好的信號完整性，一定要注意避免高速信號線跨越分割平面。

審核編輯：劉清