信号完整性测试：高速 PCB 验证工具

在当今快节奏的电子行业中，高速印刷电路板 （PCB） 为从 5G 网络到人工智能驱动的数据中心的所有设备提供动力。随着信号速度攀升至数千兆位范围，确保信号完整性 （SI） 对于防止数据错误、系统崩溃或代价高昂的重新设计至关重要。信号完整性测试验证信号在PCB走线、过孔和元件中保持其质量，即使在超过10 GHz的频率下也是如此。在 ALLPCB，我们了解工程师在实现可靠的高速 PCB 性能方面面临的挑战。本博客探讨了信号完整性测试的基本工具，提供实用的见解，帮助您自信地验证您的设计。

什么是信号完整性，为什么它很重要？

信号完整性是指电信号从发射器传输到接收器而不会显着降低的能力。在高速 PCB 中，信号面临串扰、反射、阻抗失配和抖动等挑战，这些挑战可能会扭曲波形并导致错误。例如，PCIe 5.0 接口上的 25 Gbps 信号需要精确的阻抗控制（通常为 85-100 欧姆）以避免信号丢失。SI差会导致误码率（BER）超过可接受的阈值，例如高速串行链路的10^-12。

测试 SI 可确保您的 PCB 符合性能标准、减少电磁干扰 （EMI） 并通过合规性测试。随着数据速率每隔几年翻一番，强大的 SI 测试不再是可选的，而是可靠电子设备的必需品。

高速 PCB 中的关键信号完整性问题

在深入研究测试工具之前，让我们先回顾一下工程师遇到的主要 SI 问题：

• 串扰：相邻走线之间不必要的耦合。例如，1% 的噪声耦合到受害网络中会降低 DDR5 内存接口中的信号质量。

• 反射：由阻抗不匹配引起，导致信号振铃。与 50 欧姆的 10% 阻抗偏差可能会导致 10 GHz 的显着反射。

• 抖动：减少眼图开度的时序变化，对于 USB 4.0 （20 Gbps） 等标准至关重要。

• 接地反弹：由于同时开关导致的接地层电压波动，影响信号稳定性。

• 延迟：信号传播延迟受走线长度和介电常数的影响，影响高速协议中的时序裕度。

解决这些问题需要精确的测量和分析，这就是专门的 SI 测试工具的用武之地。

信号完整性测试的基本工具

为了验证高速 PCB，工程师依赖于硬件和软件工具的组合。下面，我们将探讨最有效的工具、它们的应用以及它们如何帮助诊断 SI 问题。

1. 用于实时信号分析的示波器

高性能示波器是 SI 测试的基石，可捕获实时波形以分析信号行为。现代示波器，如是德科技 UXR 系列或罗德与施瓦茨 R&S?RTP，提供高达 110 GHz 的带宽和超过 256 GS/s 的采样率，是多千兆信号的理想选择。

• 应用：测量抖动、上升/下降时间和眼图。例如，13 GHz 是德科技UXR0134A可以生成实时眼图，以评估 PCIe 6.0 （32 GT/s） 的信号质量。

• 主要特点：先进的均衡建模（DFE、FFE、CTLE）和眼图分析软件，用于诊断抖动源。

• 实用提示：使用差分探头精确测量高速差分对，确保最小的探头负载（例如，<1 pF 电容）。

2. 用于频域分析的矢量网络分析仪 （VNA）

矢量网络分析仪（如罗德与施瓦茨 R&S、?ZNB或Keysight E5080B）可测量S参数（散射参数），以表征频域中的PCB走线、连接器和过孔。它们对于验证阻抗和插入损耗至关重要。

• 应用：计算每英寸的插入损耗（例如，FR-4 在 10 GHz 时为 0.5 dB/英寸）并检测阻抗失配。VNA 由于其更高的精度而正在取代传统的时域反射计 （TDR）。

• 主要特点：用于复杂 PCB 布局的多端口测量，并支持高达 67 GHz 的频率。

• 实用提示：使用去嵌入技术将被测设备 （DUT） 与夹具效应隔离开来，确保准确的 S 参数测量。

3. 时域反射计 （TDR） 系统

TDR 系统，如带有选件 K130 的 R&S?RTP，通过 PCB 走线发送快速脉冲以测量反射，识别阻抗不连续性。它们对于调试信号路径特别有用。

• 应用：表征走线阻抗（例如，确保 50 欧姆 ±5%）并定位故障，例如通孔短截线，这可能导致 5 GHz 的反射。

• 主要特征：显示随时间或距离变化的阻抗或反射系数，有助于故障定位。

• 实用提示：将TDR与仿真软件相结合，将测量的反射与PCB布局问题相关联。

4. 信号完整性仿真软件

Cadence Sigrity、Ansys SIwave和Altium Designer等仿真工具允许工程师在制造之前对SI进行建模，从而减少昂贵的重新旋转。这些工具使用 IBIS 或 SPICE 模型模拟串扰、反射和电源完整性问题。

• 应用：执行布局前分析以优化走线宽度（例如，50 欧姆单端走线为 5 密耳）和眼图的布局后验证。

• 主要特点：与 PCB 设计平台集成，实现无缝工作流程和用于 EMI 分析的 3D 电磁建模。

• 实用提示：使用经过验证的 IBIS 模型实现准确的缓冲区行为，特别是对于 DDR5 （4800 MT/s） 等高速接口。

5. 误码率测试仪 （BERT）

BERT（如是德科技的 M8040A）通过测量各种条件下的误码率来量化数字信号的性能。它们对于验证高速串行链路至关重要。

• 应用：测试以太网 （100 Gbps） 或 USB 4.0 等标准的 BER，确保符合规范（例如，BER < 10^-12）。

• 主要特点：用于压力测试的高速模式发生器和错误检测器。

• 实用提示：模拟最坏情况（例如，最大电缆长度）以确保强大的性能。

有效信号完整性测试的最佳实践

要最大限度地提高这些工具的有效性，请遵循以下最佳实践：

• 尽早定义 SI 要求：根据标准指定数据速率、阻抗容差和噪声容限（例如，USB-C 差分对为 100 欧姆±10%）。

• 结合硬件和软件：使用示波器和 VNA 进行测量，并辅以仿真来预测和验证结果。

• 在真实条件下测试：在不同温度和负载下评估 PCB，以模拟真实世界的作。

• 迭代和优化：使用测试结果来优化 PCB 叠层、布线和元件放置，从而在最终制造之前最大限度地减少 SI 问题。

信号完整性测试是可靠的高速 PCB 设计的支柱，可确保信号在多千兆位速度下保持干净和稳健。通过利用示波器、VNA、TDR 系统、仿真软件和 BERT 等工具，工程师可以精确诊断和解决 SI 问题。