浅谈信号完整性之对称的重要性

周敏杰

关键词：信号；完整性；对称性

开发过USB4 连接器的同仁一定会发现个问题，按照TPYEC GEN2 的方式去开发无法线性到10GHz，最后在4 个电源pin 每个增加10 nF 电容才满足信号要求；设计高速PCB 时，差分对旁边的地线断开，那么测试出来的共模信号就会很大；设计连接器的转接板时，如果有一高速信号旁边的地线PIN 不直接接到，那么信号完整性测试就无法通过。

本文基于以上这些情况，逐个讨论，突出高速信号返回地的对称性设计的重要性，给信号完整性工程师以及PCB 设计工程师提供下参考。

1 回流路径（返回地）

电路信号基本可分两类，低速信号和高速信号，任何信号都会有对应的回流路径，低速信号对应的是低频回路，高速信号对应的是高频回路。这两者的回流路径有巨大的差异，低速信号的低频回路可以沿着实际的连接线返回，而高速信号的高频回路则完全不同，它会沿着的高速信号传输的路径，在附近的平面或者地线形成自己的回流路径，不以实际的连接线返回。[1] 这时候，为了保证信号传输的完整性，就要设计出与回流路径重合的地平面，这里本文将此地平面称为返回地，如图1。

2 PCB一高速差分信号的一侧返回地不连续与连续实测结果对比

实际项目中碰到一案例，即第一排PCB 最左侧的1对差分线的一侧返回地不直接接地，而是通过焊盘焊接线缆后间接接地，类似跳线做法接地（如图3 所示），与之对照的下方PCB 的最左侧的那对差分线，则是做成两侧对称的设计，两个PCB 焊接同样的高速线缆，对配同样的板端连接器，结果发现返回地不对称设计的高速线缆近端串扰发生异常，在频率10 GHz 以内有明显的多个凸起的干扰信号出现，对比下面对称设计的线缆，整个频段无异常杂信出现；且除了近端串扰差异大，差模转共模信号差异也特别大，在高频回路中，共模信号属干扰信号，作为设计者，要尽可能的阻止共模信号过大，差模转共模更是要抑制住。[2-3] 从实际的测试结果中，可发现返回地的不对称设计是造成共模信号的来源之一，而对称性的返回地设计刚好是解决差模转共模的有效方法。

总结对比结果，不对称性返回地的设计会导致串扰大，共模抑制差，设计中返回地的设计要尽可能做到左右对称，切记不可为了兼容低频信号而放弃对称原则，这将会给高速链路带来极大的坏的影响，甚至可能就因此无法通过系统测试。

3 高速线缆返回地线断开

现特意找到某案例（如图2 所示），在焊接制作中，将一侧的地线断掉，从低频视角来看，地线虽然断开，但是可通过PCB 的过孔，高速线缆的铝箔可以将该地线间接连接起来，所以用万用表或者开短路测试仪器都是无法测试出开路情况的；然而从高频视角来看，这差异就大了，高速回流信号走到断线的地方无法通过时，就会通过绕路或者辐射来形成新的回流路径，这样差分对的一根信号线有顺畅的回路，而另一根信号线却没有，不对称凸显，共模噪声产生。从实测结果也可以看到，返回地断开，差模转共模噪声会明显高于其他正常信号。这一结果，进一步佐证返回地对称性设计的重要，万万不可以低频信号回路的视角来判定高频信号回路。

4 仿真验证

为了验证理论上的可行性，特意建了两个PCB 模型进行模拟仿真，左侧PCB 最边上的地线不直接接地，二是通过末端高速线缆的铝箔来达成接地，而右边则是做成对称性设计，直接接地。为了同时验证插入损耗、近端串扰、差模转共模，特设置8 个端口，选择PCB上下对应的两组差分线对。其他诸如仿真的网格数、PCB 材质、导体特征、端口类型等都设置成一样。如图4 所示，（左）间接地，（右）直接地。仿真频率宽度设置成40 GHz，这里将红色虚线结果来表达左侧模型间接地的仿真结果，将蓝色实线结果来表达右侧模型直接地的仿真结果。

先来看插入损耗的仿真结果对比，任何高速链路，插入损耗都是最重要的参数之一，从频域上看，插入损耗线越小，越平滑，整个链路的性能就会越好，仿真结果显示具体有对称性返回地设计的模型插入损耗要小，且波动小，而间接地的那个模型则明显有掉沟，波动较大。

再看近端串扰的性能，差异也很明显，间接地的模型在（0～15）GHz 频段明显高于直接地的模型，从结果来看间接地的设计只能满足PCIE GEN3 性能，而直接地的设计可满足PCIE GEN5 的要求。差别甚大。

最后来看差模转共模，这是一个噪声信号，越小越好，仿真结果显示，间接地的模型，差模转共模明显比直接地模型大，跟实测结果对比，仿真结果与实测非常吻合。这进一步证实，返回地的不对称性设计是造成共模噪声的一大因素。

引言中有提到USB4 的连接器信号处理方式，即用四颗10 nF 的电容来缓解信号完整性问题。要讲清楚这个，我们必须得了解Type-C 连接器的pin 定义如图5 所示，高速信号对旁边看起来不对称，一侧是GND 一侧是VBUS，按照上面的仿真结果和实测数据，TYPE-C 连接器的信号完整性肯定有问题，满足不了规范要求，如果要满足，那就的想办法做成对称设计，怎样将一侧电源一侧地完美地平衡呢？这时候电容的作用就体现出来了，它可以将高频回流信号通过电容，借电源平面完成回流，这样的处理，也从另一层面实现了返回地的对称性。这里同样也安排了此种情况下的仿真，即基于图4 左边那个不对称的模型，增加10 nF 电容，进行仿真，结果显示高速信号虽然比直接接地的情况要差点，但谐振点已经拉到10 GHz 以外了，而10 GHz以内的信号平稳、波动小，已经满足规范要求了，如图6 所示。

5 结束语

本文通过案例的方式，在信号完整性性能方面，将返回地不对称与返回地对称进行对比，最明显的差异就是近端串扰和差模转共模的噪声大；再通过模擬仿真的方式，将这两种模型进行对比，同时观察插入损耗、近端串扰和差模转共模，仿真的结果与实测一致。这给我们在高速链路设计中，要以对称性为原则，让返回地尽可能设计成直接地的情况，如果实在条件不允许，则可以考虑添加合适的电容来解决跨层问题，缓解非对称问题。本文结论可给信号完整性工程师以及PCB 设计工程师对高速信号线的处理方式提供1 个设计上的参考，不要以常规电路的方式来看来高速电路，要以高频回路的理念来处理高速链路可能存在的风险，如本文介绍的返回地线断开或者不直接接地，用万用表去量测，他们都是导通的，但涉及到高频回路，回流路径就完全不一样了，从而产生出信号完整性方面的一系列问题。总之，高速电路要讲究对称，特别是返回地的处理。