SIPI工程师：为什么DDR4信号包地反而更差？

2年前浏览3971

导读：本人SI、PI从业者，对SI、PI问题有一定研究，坚持理论基础为底蕴，个人能力为核心，软件为手足的工作理念，着重培养知识底蕴和能力底蕴；在自己学习成长过程中曾受到多人帮助，如业界享誉盛名的于博士，对此深表感谢。近日笔者注册并认证了仿真秀平台讲师，将为信号完整性和电源完整性道友们分享自己学习过程的一点收获，包括学习资料、文章和视频教程等等，详情见后文。如有不当，欢迎各位专家和老师批评指正。以下是正文

一、工况描述

信号包地目的有两种，一是包地线负责回流，二是负责隔离，也就是防止串扰。但是有时候包地线处理不好，反而会使信号变得更差。

对于如下结构，DDR4的DQ信号之间为了防止彼此串扰，用了包地线；

下面我们来看一下，不考虑邻近的信号线和包地线，单根信号线上的信号：

信号为点对点结构，接收端内部ODT端接，信号质量还是比较良好的；接下来看一下，没有包地线，考虑邻近的信号串扰后波形如下，注意未进行包地处理时，信号线间距为3倍线宽：

考虑两侧都有攻击线串扰时，波形如下：

可以看到，信号间距为3倍线宽时，串扰会有一定影响，但是只要端接良好，当前结构中串扰不构成本质影响；将信号间距调整为1倍间距时，波形如下：

此时，由于信号线间距比较近了，串扰影响已经非常大了，此时不能忽略；那么可以用哪些措施解决呢，首先要保证良好的端接，其次我们来对比一下，信号上升时间对串扰的影响：

通过对比，可以知道，在时序允许的条件下，选取上升边沿较缓的驱动，串扰更小；下面对比，传输线耦合长度：

通过对比发现，耦合长度（平行走线长度）越长，串扰越大；

综上发现，信号线间距、信号线耦合长度、信号上升时间，这些因素对于串扰的影响，某些情况下，串扰并不构成本质影响，当然是否良好端接也至关重要。

二、地包线为何导致信号串扰变大

下面我们就来看一下，在线间距为3倍线宽的信号线间加入包地线后的影响。

给我们的直观印象是，中间插入的是GND，无论如何，总比什么也没有好，如果存在这种印象，就说明对信号如何在传输线中传输不够清晰。

对于微带线而言，他的电磁场和电流分布如下：

而对于电流分布仿真时，软件并不关心传输路径和参考路径的电气网络是什么，这也就是说，微带线这种物理结构本身就为信号在其中传播提供了物理环境，这当然是因为，两个导体中间存在互容、互感，因此在参考路径中耦合出了返回电流，也因此，信号可以在其中传播。

而对于临近传输线而言，他们之间也存在互容、互感，如下图，也因此他们之间必然有耦合电流，而攻击线的耦合电流一旦进入邻近的传输线（受害线），那么它在受害线中就进行传播，和受害线本身的信号叠加，从而干扰信号，这就是串扰，正如上边所说，传输线这种物理结构本身就是导致串扰和信号传播的物理结构，即便他是GND。

临近线之间耦合出来的电流

回到最开始的PCB包地结构，我们不难发现，包地线本身构成了信号的传输路径和串扰的耦合路径；

也就是说，原来线间距为3倍线宽，加入包地线之后，变成了1倍线宽，这似乎说明包地线注定要导致信号串扰变大。

三、信号端接也至关重要

先别急着下结论，历史是经得住考验的，我们进一步探究根源。

还有一点我们没有考虑，那就是，我们说过，信号的端接也至关重要，信号线传输到接收端之后有ODT端接（比如50 Ohm），而包地线传输到末端后，经过过孔回到GND中，也就是端接电阻近似为0 Ohm，这样的话，在这里就会产生负反射，回到原端之后，同样是0 Ohm的负反射，因此信号在包地线上来回反射，再持续反过来影响传输线。

我们先来仿真观察，当攻击线上驱动一个上升跳变边沿时，在包地线上耦合出了如下串扰信号，注意，此时对包地线特别做了50 Ohm端接。

下面，将包地线的端接去掉，改换成0 Ohm，再来观察：

串扰开始震荡，这就是串扰在包地线上来回反射的结果；我们再来对比没有包地线、包地线端接、包地线没有端接时的受害线串扰量和信号眼图：

没有包地线

包地线端接

包地线两端接地

通过串扰和眼图对比发现，包地线引入的串扰，不容忽视，而实际中的包地线就是两端接地的，那么怎么办的，还能包地么？

对于这种情况，可以在包地线中继续打地孔，减小地孔之间的距离，从而提高包地线结构的谐振频率，使其对当前信号不构成影响。

当前结构，包地线为2000 mil，在包地线中间加一个地孔，观察眼图：

在此基础上，进一步在包地线中平均的加入地孔后，眼图如下：

孔间距为500mil

孔间距为200mil

孔间距为100mil

由此可见，信号之间的串扰和信号本身的端接有关，做好自身端接，有助于减小串扰；此外串扰大小和信号线间距、传输线耦合长度、信号本身边沿陡峭程度有关，可以从这几点入手减小串扰。

但是要注意，包地线也是传输线结构，信号同样能够耦合到包地线中，而包地线是没有端接的；如需包地，注意包地线和信号线之间的距离，距离越近，包地线和传输线的耦合越大，由于包地线处理不妥善引起的串扰也越大；包地线两个地孔之间的距离和引起谐振的频率相关，距离越大，其长度对应谐振频率的波长也越大，通过减小地孔间距使谐振频率向高频移动，减小当前谐振，减小包地线引起的串扰；包地线的地孔距离大概是信号包含最高频率对应波长的1/10左右时，基本可以抵消包地线引起的反射震荡。

总之，全面评估是否需要包地，如需包地，确保包地线的地孔数量和地孔间距；还有一个注意点，就是在包地线上打了很多地孔后，还要注意包地线的两端是否在最终端打了地孔，此处的stub长度不要忽略。

四、电源完整性仿真23讲

以上就是笔者对于信号包地反而更差的理解，如有不当欢迎专家和老师批评指正。近日，笔者计划在仿真秀平台更新个人精品课《电源完整性仿真23讲》。本视频为电源完整性课程，课程以仿真软件进行演示，从根本上讲解了PDN阻抗设计方法，课程系统的从目标阻抗法讲起，涉及电容、电感等器件的阻抗特性，电容的本质及其阻抗特性，电容并联特性，并联谐振峰和哪些因素有关，电容的容值该如何选择，电感如何影响PDN阻抗，IC芯片封装电感的影响，板级阻抗设计频段如何确定，到对一个PDN阻抗的提取流程，以及如何进行优化。

以下是我的课程安排