大多數(shù)layout工程師以及SI/硬件工程師都知道, 信號除了不能跨分割層布線之外，一般還不容許參考電源層布線的(當(dāng)然,，這里指的高速高頻信號),，為什么不能參考電源層？究竟會帶來多大影響,？如果疊層空間限制的情況下可以容許哪些信號參考電源,？針對這些問題，本篇將結(jié)合ANSYS/Ansoft仿真軟件進行理論及仿真方法介紹,。

首先,，從信號回流路徑的角度開始基本理論的回顧。一個簡單四層PCB信號通過過孔換層參考電源,，其信號的回流路徑如圖1 示意:

圖1 信號回流路徑

由上圖可見,，當(dāng)高速信號在信號線上傳播時，在信號電流向前傳播的過程當(dāng)中,，由于與參考平面之間存在容性耦合,，所以當(dāng)發(fā)生dV/dt時，就會有電流經(jīng)耦合電容流向參考平面的現(xiàn)象,，傳輸線正下方位置都會有瞬態(tài)電流流回到源端電路,。如果信號的參考為電源平面，那么信號回流將首先流向電源層,，然后再通過電源與地網(wǎng)絡(luò)之間的Cpg流向地網(wǎng)絡(luò),，最后再經(jīng)地層流向源端電路，最終形成一個完整的電流回路,。我們都知道,，控制好高速信號的回路阻抗非常關(guān)鍵，因為它直接影響到信號傳輸特性,。

當(dāng)信號參考電源層布線時,，回流路徑當(dāng)中對信號影響最大的就是Cpg電源與地網(wǎng)絡(luò)之間的容性通道。它可以是電源地網(wǎng)絡(luò)上分布復(fù)雜的退耦電容,，也可能包含電源地層平面之間的平板電容,，構(gòu)成非常復(fù)雜，在各個頻點所表現(xiàn)的阻抗特性都不一樣,，難以量化與控制,。所以不建議高速信號參考電源。

那么究竟有多大影響,，下面通過仿真軟件來幫忙我們看看具體信號傳輸差異的情況,。

2.1 基礎(chǔ)研究模型的建立

有了以上理論了解之后,，接下來通過仿真技術(shù)協(xié)助研究，到底參考電源層會跟信號傳輸帶來怎樣的影響,？

為了說明問題,，把模型簡單化，這里利用板級仿真工具SIwave的自行建模功能（也可通過版圖工具畫一個類似PCB走線再導(dǎo)入）建立一個簡單的10X10四層PCB, 疊層分布為SIG/GND/PWR/SIG,，第二層全部為地,，第三層電源平面為一小塊不規(guī)則平面，如下圖,，并布置兩根傳輸線,，一根為表層走線，此案例中,，它屬于完全參考地層平面的微帶線,，一根為表層走線經(jīng)過孔到底層走線的微帶線，屬于部分參考地層又部分參考電源層的走線,。即建立了我們需要研究的參考電源的信號模型,。如圖2所示：

圖2 簡單的四層PCB模型

2.2 回流仿真分析

通過SIwave2014以上版本的AC CURRENTS 功能可以進行信號回流路徑的仿真分析，只需要在兩條傳輸線兩端分別添加相應(yīng)頻率的信號源和負(fù)載,，即可仿真得到信號源傳輸時,，各個平面層上的電流分別情況。如圖3所示,，顯示為地層的電流分布,，跟前面理論分析結(jié)論非常一致。完全參考地層的傳輸線,，回流路徑主要集中在走線正下方,，而參考電源層的信號回流會經(jīng)電源地耦合到地層上，所以在電源與地層重疊的地方分布,，不同頻點的回流分布也不盡相同,，這勢必會影響信號傳送質(zhì)量，同時也可能對外界電路造成干擾,。

圖 3 信號回流分布圖

2.3 頻域S參數(shù)分析

通過對兩條傳輸線建立端口,，然后利用SIwave的HFSS 3D Layout（超高頻段，還是HFSS精度更讓人放心,，并且3D layout在模型編輯便捷性及求解效率方面提升很多,，不用再在HFSS里面糾結(jié)波端口/集總端口的建立）進行SYZ參數(shù)分析之后觀察兩者之間的插入損耗S21的差異， 如圖5

圖4 HFSS 3d layout自動建立的三維模型

圖5 兩條傳輸線的S21曲線

通過觀察S21 曲線,，可知在1GHz以下兩種走線的傳輸差異并不太大（這里的頻率是指單頻點正余炫波,，而非方波/時鐘頻率）。頻率越高，S21 差異相對越大,，尤其是在突點尖峰頻率,。為什么會有這些尖峰？實際上是來源于電源地平面之間在尖峰頻點的諧振,，當(dāng)回流流經(jīng)這些諧振頻點時，自然會有較大的能量損耗,。通過SIwave的諧振分析功能也可進一步驗證這一論點,，如下圖6，SIwave分析得到的諧振頻點,，尖峰頻點基本都在其中,。

圖6 SIwave的諧振分析結(jié)果

實際上，觀察頻域曲線差異并不是很直觀,，因為它們比較的是單頻點的傳送差異,，而通常我們傳輸?shù)氖菍掝l帶的類方波信號，所以在時域上進行波形的對比驗證才是最關(guān)鍵的,，也是最直觀的,。下面通過designer軟件導(dǎo)入兩條傳輸線的S參數(shù)模型，然后分別施加同樣的理想信號源以及50ohm的負(fù)載端接,，進行時域上的眼圖分析,，如圖7建立仿真電路，觀察不同傳輸頻率情況下的差異

圖7 Designer建立的時域仿真電路

完成仿真之后,，觀察10Gbps信號傳輸眼圖 ,，如圖8，可以發(fā)現(xiàn)參考電源層的傳輸線,，接收眼圖的眼睛張開程度已經(jīng)變得更小,，并且眼皮也更粗，抖動加大,，如果添加信號源抖動,，或信號線再長一些，再經(jīng)過連接器或過孔或封裝這些阻抗不連續(xù)互連結(jié)構(gòu),，那么很有可能就會出現(xiàn)信號完整性問題,。隨著頻率的下降，兩者傳輸信號的質(zhì)量差異也在逐漸減小,，如下面5Gbps和1Gbps信號眼圖,。

圖8 傳輸10Gbps信號的眼圖差異

圖9 傳輸5Gbps信號的眼圖差異

圖10 傳輸1Gbps信號的眼圖差異

綜上所述，信號參考電源層會跟信號質(zhì)量帶來影響,，電源地層之間的阻抗會是影響的主要因素,，信號頻率越高，帶來的影響會越明顯,。當(dāng)然也不是所有信號都不能參考電源,，具體多少頻率什么信號可以參考電源,，要看實際layout以及PDN網(wǎng)絡(luò)的實際情況，最好能利用仿真軟件進行分析驗證,。出于理論分析方便,，此篇建立的案例模型比較簡單，仿真結(jié)果主要作對比分析之用,，不可作為實際工程的判定參考,。

（由于作者的知識水平有限，錯誤在所難免,，謝謝指正）