PCB信号完整性探讨

THRU
T21 T41
按INTEL算法所推导出的差分信号线时域参数测量方法
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2 信号完整性测量技术
2.3 SET2DIL测试 测试精度评价：与VNA相比还存在一定差距。
随着频率升高， 精度不断下降。
12GHz
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2 信号完整性测量技术
2.3 SET2DIL测试
2 信号完整性测量技术
1
D1: 焊盘直径 D2: 反焊盘直径 H: 过孔长度 d: 过孔孔径
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1 信号完整性基础
1.5 介电常数（Dk）和损耗因子（Df）
介电常数（Dk）准确讲应该称为相对介电常数。 干燥空气的实际介电常数ε0，数值为8.85pF/m，为方便起见，把这个值设为 1pF/m，从而得到其他介质的相对介电常数值（Relative Permittivity），即我 们现在常用的介电常数（dielectric constant）。
介质损耗因子与频率的相关性
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1 信号完整性基础
1.6 插入损耗的概念
插入损耗（简称插损，数学描述为S21，或insertion loss）：在二端口网 络中，S21定义为从端口2出来的正弦波和从端口1进入的正弦波的比值。
入射信号
端口一
端口二
反射信号
相位差 幅度
简单二端口网络示意图
接收信号
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2 信号完整性测量技术
2.3 SET2DIL测试
理论上，损耗属于频域范畴，具有很强的频率相关性。此处涉及两个重要概念： ➢假设近似和线路完全对称； 按SDD21（插损）=0.5*（S21-S23-S41+S43）， 在差分对完全对称时，INTEL算法假定：
S21=S43 S23=S41 于是SDD21=S21-S41
TRL校准件设计工具
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2 信号完整性测量技术
2.2 VNA测试 TRL校准理念在于，将线路的两段各取一部分作为中间剩余部分线路测量的探针。
表示将被校准掉的线路
校准完成后其延时和损耗均为0
表示被当做探针的长度
用于校准不同频率范围
用于校准直流
注意各图形长 度对应关系
被测线路
TRL校准图形
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57ohm
50ohm
11inch单端阻抗线TDR曲线
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2 信号完整性测量技术
2.1 阻抗测试 ➢ 阻抗的不规则波动是由于线路和介质加工质量引起的； ➢ 而阻抗的上升趋势主要是由于长线传输线损耗的不可忽略造成的。
阻抗线
取值区间 华为长线阻抗的标准测量方法
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2 信号完整性测量技术
ρ：电阻率 l： 导体长度 S： 导体横截面积
R（AC）：高频下的交流阻抗 f： 工作频率 f0：产生明显趋肤效应的临界频率 R：该临界频率下的阻抗
交流电阻随频率变化关系
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1 信号完整性基础
1.4 阻抗：过孔阻抗
寄生电容：
C 1.41 rTD1
D2 D1
寄生电感：
L
5.08hln
4h d
从信号传输品质的角度来看，介电常数的含义可以理解为介质对电荷的吸附能 力，介电常数越大，其对信号的吸附能力越强，可供使用的信号余量便越小。 介电能力即相当于容电能力。
介电能力对比（左）和线路传输模型（右）
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1 信号完整性基础
1.5 介电常数（Dk）和损耗因子（Df）
损耗因子（Df）即为散失因子（dissipation factor），表示信号传输时在介质 中损失掉的能量（loss），将这个损失掉的能量与未损失的能量（stored）对 比时，即得到Df。
2 信号完整性测量技术
2.3 SET2DIL测试 Single End Trace To drive DIfferential Loss,利用单端线路测量差分损耗的方法。 目的：简化测量，从而使传统的差分四端口测试变为简单的单端测试，并将此测 试方法用于批量板的监控。
传统差分测试需要四 个端口同时测量
➢INTEL的算法可以通过测量时域的信号响应参数，再通过傅里叶变换转化成频域 数值，最终得到插损测量值。从而相当于：
TDD21=T21-T41
于是，按此等式，只需测试T21和T41即可计算出SDD21，即插入损耗值。
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2 信号完整性测量技术
2.3 SET2DIL测试 理论上，损耗属于频域范畴，具有很强的频率相关性。此处涉及两个重要概念：
扫频信号
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2 信号完整性测量技术
2.2 VNA测试 对于一个测试频率范围为20GHz的VNA，可以测试被测物从0到20GHz中间任何 频率点上的响应特性。
S11：反映端口阻抗特性
S21：反映端口插损特性
信号相位特性
信号延时特性
VNA中可观测到的端口特性
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2 信号完整性测量技术
microstrip
基本传输线种类
stripline
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1 信号完整性基础
1.2 高速信号和传输线 目前几乎所有高速存储器、服务器、路由器以及很多消费电子产品都具有高传输
速率的特性，PCB产业也已迈进高速的方向。
一些高速电子产品和设备及其传输速率
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1 信号完整性基础
1.3 反射
信号传输时，每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗，当这个阻抗不连续时就会 将信号的一部分反射回信号源端；
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1 信号完整性基础
1.4 阻抗 趋肤深度：
δ：趋肤深度 μ： 磁导率 σ：电导率 f： 频率
对于纯铜导线： 则在1GHz频率下：
μ=4πⅹ10-7 H/m σ=5.8 ⅹ107 S/m
δ 铜=2.1um
即信号的传导仅仅在铜线的表面进行。
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1 信号完整性基础
1.4 阻抗 均匀导体直流电阻计算公式： 均匀导体高频阻抗计算公式：
2.2 VNA测试
测试原理：
VNA（Vector Network Analyzer， 矢量网络分析仪）的信号源在测试时产生一个 连续扫频的正弦波，以此激励被测物（DUT，device under test），之后测量DUT 的反射信号和传输信号。 VNA把被测物（无论是一条线、一个面或信号网络）当做二端口网络，由于其激 励信号是扫频信号，在每一个频点均可得到被测端口的频率响应，VNA通过分析 这些激励信号和响应信号，计算出被测端口S参数，再通过这些参数得到我们需要 的量化参数值。
2.4 Dk/Df提取
方式 设备和软件 测试coupon 验证
VNA测试PCB两段长度差为10inch的信号线的S参数，利用 ADS仿真软件分析提取其中的DkDf信息 E5071C网分仪、ADS DkDf提取模块
设计不同胶含量、玻纤类型等结构，差分/单端带状线
用仿真提取的DkDf建模，对比阻抗和损耗的测试和仿真结果
Dk/Df提取基本流程
2 信号完整性测量技术
2.4 Dk/Df提取
TRL校准模 块
DkDf提取模 块
P片类型 1 P片类型 2
P片类型 3
P片类型 4
2 信号完整性测量技术
2.4 Dk/Df提取
软件操作界面
目录
3、PCB制造与信号完整性
2.1 材料 2.2 工艺 2.3 PCB设计
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如下图所示，沿着时间轴的每一点都对应着被测线上的不同位置阻抗 值。
线宽变化导致阻抗变化 的TDR测试曲线
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2 信号完整性测量技术
2.1 阻抗测试 PCB阻抗测试时选择合适的阻抗线长度是十分必要的，根据经验，在
阻抗线长度超过6inch，且线路损耗较大时，阻抗线后端的阻抗值将有明显 上升趋势。
PCB信号完整性技术探讨
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1、信号完整性基础 2、信号完整性测量技术 3、PCB制造与信号完整性
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目录
1、信号完整性基础
1.1 信号完整性
1.2 高速信号和传输线
1.3 反射
1.4 阻抗
1.5 介电常数（Dk）和介质损耗因子（Df）
1.6 插入损耗的概念
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1 信号完整性基础
0.40
0.43
普通树脂和低损耗树脂对SI的影响
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3 PCB制造与信号完整性
➢玻纤
Standard E Glass
Dk 6.6
低损耗Fabric NE glass (Dk 4.6)
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3 PCB制造与信号完整性
material glass style
prepreg style in stackup
1.1 信号完整性 信号完整性（Signal Integrity, SI）包含由于信号传输速率加快而产生的互连、电
源、器件等引起的所有信号质量及延时等问题。
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1 信号完整性基础
1.2 高速信号和传输线
对于高速产品，并没有明确定义，一般认为对损耗有特定要求的产品为高速产品 。
传输线模型
时钟频率超过100MHz、数字信 号上升时间小于1ns时，长度超 过1inch（2.54cm）的互连线表 现出传输线特性； 其特征为：线路向周围环境辐射 能量，介质中的粒子（图中圆圈 表示）也会振动吸收能量，产生 时延和衰减等。
由于TDR产生的信号幅度、测试电缆阻抗、仪器输出阻抗确定，因此根 据TDR设备接收到的反射信号幅度和时间轴数据，很容易计算出不连续阻 抗的数值。
阶跃信号
测试电缆
被测物体
TDR测试原理
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2 信号完整性测量技术
2.1 阻抗测试
利用TDR技术，所有这些信息都是在示波器上实时显示。相对于其他技 术，TDR 能够给出更多的关于系统宽带相应的信息。
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1 信号完整性基础
1.6 插入损耗的概念
损耗和传输线长度的关系
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目录
2、信号完整性测量技术
2.1 阻抗测试 2.2 VNA测试 2.3 SET2DIL测试 2.4 Dk/Df测试
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2 信号完整性测量技术
2.1 阻抗测试
阻抗测试主要应用TDR（Time Domain Reflector，时域反射计）的方法， TDR 使用阶跃信号发生仪和示波器，在被测得传输线上发送一个快速的上 升沿，再特定的点上用示波器观察反射电压波形。 这种技术可以测出传输显得特性阻抗，并显示出每个阻抗不连续点的位置 和特性（阻抗、感抗和容抗）。
Advantage modified material
standard glass
spread glass
low Dk glass
1080 RC65% 2116 RC55% 2113 RC57%
1086 RC61% 1067 RC70% 1086 RC64%
1080 RC65% 106 RC73% 1080 RC68%
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1 信号完整性基础
1.6 插入损耗的概念
能量向环境 中发射
导线发热 阻抗不连续
与邻近传输 线干扰作用
增加导体阻 抗消耗能量
介质中粒子 振动导致
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1 信号完整性基础
1.6 插入损耗的概念 无损传输线是不存在的，通路上的每一个节点都会造成损耗，损耗受控
是一个真正的挑战。
右图为传输线中主要 插入损耗来源于传输 的信号频率之间关系 示意图
Rs1
Rs2
Rs1≠Rs2
Vi Ii
Vf If
Rs1
Vt It
Rs2
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1 信号完整性基础
1.4 阻抗 ➢ 低频或直流情况下阻抗基本等于导体的电阻； ➢ 高速或高频情况下，主要受趋肤效应影响，信号在导体中传输感受到的阻抗将 远大于导体在直流情况下的电阻。
圆形导体和方形导体的趋肤效应（红色 表示电流密度最大，蓝色表示最小）
2.2 VNA测试
TRL校准： VNA的精确测量是基于精确而复杂的校准基础上的。由于电缆、探头、SMA
头、设备本身的误差，VNA系统校准十分必要，常用的有机械校准和电子校准； 另外，实际测试中过孔对于损耗测量结果有十分明显的影响，因此需进一步
去除掉过孔的影响，而产生了LRM、TRL、SOLT等去嵌（de-embed）校准方式。
3 PCB制造与信号完整性
普通树脂和低损耗树脂对SI的影响
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3 PCB制造与信号完整性
Material MAX MIN AVE
Insertion loss at 4GHz(unit: dB/inch)
I
M
N
T
0.42
0.48
0.50
0.46
0.35
0.36
0.37
0.41
0.38
0.41
Glass style MAX MIN AVE
Insertion loss at 4GHz( unit: dB/inch)STDBiblioteka Spread0.61
0.61
0.51
3 PCB制造与信号完整性
随着信号频率的增加，PCB基材介质和导线都会吸收能量，造成信号完整性问题。 除此之外，PCB加工过程中对材料的处理也会引入信号完整性问题。
Stub length
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3 PCB制造与信号完整性
3.1 材料 ➢树脂：
树脂体系和loss tangent之间的关系
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