浅谈PCB设计的高速信号跨沟及信号回流

一、高速信号跨沟及信号回流的基本概念

 下图所示为一个信号流向及其回流示意图。基于基尔霍夫定律，电流是闭环的，也就是说任意一个电路的节点只要有电流流出就一定会有电流流入，返回到节点（通常是驱动器）的电流通常就叫返回电流。，且高频电流总是沿着最小的环路面积移动，高频返回电流通常是沿着阻抗最小的路径返回。对于一个同轴电缆，其芯线为电流流动路径，而外壳的地就是返回电流的流动路径，所谓信号跨沟也就是返回电流的路径被断开或者是有部分沟槽；对于一个PCB板上的高速传输线来说，其电流流动路径为PCB板上的传输线，电流返回路径通常为与传输线相邻的地平面或者电源平面层（也称为传输线的参考平面），当与传输线相邻的参考平面层有沟槽等不完整现象时，返回电流的路径就可能被破坏，这时候也称高速信号跨沟。如图1所示，当返回电流路径被断开或者被沟槽阻隔时通常称为高速信号跨沟。

图1、信号流向及回流路径示意图

 当高速信号发生跨沟现象时，整个电流的环路面积将增加，通常系统的EMC辐射也将增加。同时传输线的特征阻抗也将发生变化（如下图2所示为信号线阻抗变化曲线），信号遇到传输线特征阻抗突变点时将发生发射、振铃等信号完整性问题。

Lecroy WE100H-TDR测得的PCB传输线阻抗变化示意图

 那么高速信号跨沟对信号的眼图、抖动、上升时间等影响是否很大呢？下面我们使用Lecroy的最新款示波器WP760 ZI 来实测下一个3.125Gb/s的XAUI信号跨越分割平面后的眼图、抖动、频谱等参数变化情况以及一个快沿信号（Lecroy的WP760 ZI自带有一个SMA输出接口可以发出一个上升时间为70ps左右（20%-80%），见下图3），可以很方便的用作快沿调试信号。

Lecroy WP760 ZI输出的快沿脉冲信号

二、3.125Gbits/s XAUI信号跨沟时眼图抖动等参数的变化

1、眼图  

XAUI信号未跨沟时的眼图及相关参数（左）以及有跨沟且沟槽宽度为120mil时的眼图及相关参数（右）（结果为Lecroy WP760 ZI测得）

从图4可看出，信号跨越沟槽以后，眼图的张开度有明显减小，眼图各项参数均有一定程度的恶化，眼高降低了40mv左右（通常XAUI信号规定接收端的信号幅度不低于50mv），眼宽也降低了20ps左右（大约为1/16UI），可见参考平面上的沟槽对信号眼图的影响还是非常明显的。

2、抖动XAUI信号没有跨沟情况抖动测试结果如下图5所示  

图5 XAUI信号没有跨沟时的抖动测试结果（测得总体抖动Tj为219.4ps，固有抖动Dj为141.3ps）

  XAUI信号有跨沟情况（沟槽宽度为120mil）抖动测试结果如下图6所示，

图6 XAUI信号跨越120mil宽度沟槽时的抖动测试结果（测得总体抖动Tj为255.4ps，固有抖动Dj为157.6ps）

从图5、图6可以看出，信号跨越沟槽后总体抖动Tj增加了约40ps左右，固有抖动Dj增加了15ps左右。       

  3、信号频谱能量Lecroy的最新款示波器WP760 ZI新增了一个频谱分析仪选件，该选件的操作界面非常类似于R&S等频谱仪，可以很便捷的设定center frequency、span范围等，且可以实时显示峰值点的频率值及对应幅度值大小，操作起来非常方便简洁，界面如下图7所示：

图7  Lecroy WP760ZI新增的频谱分析仪选件

  XAUI信号没有跨沟情况下频谱能量如下图8所示所示，

图8  XAUI信号没有跨沟情况下3.125GHZ点处的功率谱能量（-49.9dbm）  

  XAUI信号有跨沟情况（沟槽宽度为120mil）抖动测试结果如下图9所示，

图9  XAUI信号跨越120mil宽度沟槽情况下3.125GHZ点处的功率谱能量（-49.5dbm）

  从图8和图9可见，信号跨越沟槽后，频谱能量略有增加，可能原因是信号环路增加，导致外部耦合进来的信号能量叠加进来或者是由于信号跨沟导致各频段能量分布发生变化导致的。

三、快沿脉冲信号跨沟时抖动上升时间等参数的变化

1、上升时间及抖动

快沿信号没有跨沟时上升时间抖动等参数的测量，如下图10所示，

图10  快沿信号未跨沟时上升时间以及抖动等参数的测量

  （测得上升时间为197.5ps，周期抖动RMS值为2.59ps）

快沿信号跨越120mil宽的沟槽时上升时间及抖动等参数的测量，如下图11所示，

图11  快沿信号跨越120mil沟槽时上升时间以及抖动等参数的测量      

（测得上升时间为224.3ps，周期抖动RMS值为3.19ps）从图10、图11可见信号跨沟后，信号的上升时间和抖动受到的影响都非常明显。

3、  频谱

快沿信号没有跨沟时500MHZ左右的功率谱，如下图12所示，

图12  快沿信号未跨沟时500MHZ左右的功率谱  

 快沿信号跨越120mil沟槽时500MHZ左右的功率谱，如下图13所示，

图13  快沿信号跨越120mil沟槽时500MHZ左右的功率谱

从图12、图13可见，信号跨越沟槽后500MHZ左右频点的能量亦略有增加。

四、总结

从上述测试结果可见，当高速信号尤其是快沿高速信号跨越分割参考平面时，信号的眼图、抖动、上升时间等均会受到比较大的影响。上述测试结果给出了一个比较直观的测试对比，可供参考。因此在高速设计时为了保持比较好的信号完整性，一定要注意避免高速信号线跨越分割平面。

编辑：黄飞