信号包地反而更差？深入解析包地线对信号完整性的影响

信号包地反而更差？深入解析包地线对信号完整性的影响

在高速数字电路设计中，包地线（即地线包围信号线）是一种常见的布局方式，其目的是提供信号回流路径并防止串扰。然而，在某些情况下，不当的包地线设计反而会导致信号质量恶化。本文通过仿真和理论分析，深入探讨了这一现象，并提出了具体的解决方案。

信号包地的目的主要有两个：一是提供信号回流路径，二是隔离信号线以防止串扰。但是，如果处理不当，包地线反而可能使信号质量变差。

单根信号线的信号质量

首先，我们来看单根信号线的信号质量。在点对点结构中，接收端内部有ODT端接，信号质量良好。

无包地线时的串扰分析

当不考虑邻近的信号线和包地线时，单根信号线的信号质量良好。但是，当信号线之间存在串扰时，情况会有所不同。

信号线间距为3倍线宽时

当信号线间距为3倍线宽时，串扰虽然存在但影响不大，只要端接良好，串扰不会构成本质影响。

信号线间距为1倍线宽时

当信号线间距减小到1倍线宽时，串扰影响显著增加。

影响串扰的关键因素

通过对比不同条件下的信号波形，可以发现以下因素对串扰有重要影响：

• 信号上升时间：在时序允许的条件下，选择上升边沿较缓的驱动可以减小串扰。

• 传输线耦合长度：耦合长度越长，串扰越大。

包地线的影响

接下来，我们分析在线间距为3倍线宽的信号线间加入包地线后的影响。直观上，人们可能会认为中间插入GND会改善信号质量，但实际上情况并非如此简单。

对于微带线而言，其电磁场和电流分布如下：

包地线本身构成了信号的传输路径和串扰的耦合路径。当包地线两端接地时，会在包地线上产生负反射，从而影响信号质量。

通过仿真观察，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串扰信号。如果包地线没有端接，串扰会开始震荡。

解决方案

为了减小包地线引起的串扰，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。具体效果如下：

• 孔间距为500mil
• 孔间距为200mil
• 孔间距为100mil

总结

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。