解析PCB设计中眼图的作用

时间： 2024-05-28 来源：是德科技 Keysight Technologies知乎

PCB设计/印制电路板设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。PCB设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局。内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机辅助设计(CAD)实现。

随着数字系统数据速率的提高（受消费者对更快的互联网连接、视频点播和更多连接设备的需求驱动），导致对高速互连/PCB信号完整性的期望值更高。PCB制造商需要解决更高频率的信号完整性问题。阻抗和通道损耗测试是高速PCB设计要求。

1.作为大批量制造测试的一部分，PCB制造商需要准确和高效的方法来测量阻抗变化并监控PCB的损耗。
2.PCB设计人员需要生成通道的准确模型，包括VIA（过孔）和传输线路，以便进行高级仿真，减少仿真结果与实际测量之间的偏差。
3.PCB原材料和层压材料供应商需要测量材料的介电特性，并在其规格表中提供材料的特性参数，频率高达毫米波范围，以保持竞争力。

什么是眼图？

眼图（Eye Diagram）是用余辉方式累积叠加显示采集到的串行信号的比特位的结果，叠加后的图形形状看起来和眼睛很像，故名眼图。眼图包含了丰富的信息，从眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响，体现了数字信号整体的特征，从而估计系统优劣程度。

眼图的“眼睛”张开的大小反映着码间串扰的强弱。“眼睛”张的越大，且眼图越端正，表示码间串扰越小；反之表示码间串扰越大。

图中：眼图的眼高代表噪声；眼宽代表抖动。

示波器眼图图片

根据眼图可以看出性能指标

在对于一个眼图进行好和坏的评估时，通常都有一些常见的衡量指标，比如眼高，眼宽，抖动，占空比等，如上图。通过对眼睛不同部位的表征，可以快速地判断和定性信号的问题。比如眼图跳变沿交叉点的上下区域可以代表占空比，如果上下区域比例不对称，则代表占空比的结果可能存在问题。

不同的眼图可以反映不同的信号质量，对于有经验的工程师可以从眼图上发现信号是否存在阻抗不匹配导致的反射，以及某种抖动成分偏大，甚至知道如何来优化眼图质量。总体来说：

•眼图的张开度与抖动和误码率BER相关联；
•眼图张开越大，表明对噪声和抖动的容许误差越大；

•眼图张开越大，表明接收器判断灵敏度越好；
•眼顶、眼底和转换区域宽表明接收器判断灵敏度降低

“张开”眼图

(1)考虑PCB走线长度：短走线并非始终能够满足，短走线意味着低损耗
(2)考虑PCB走线宽度：宽走线可以降低趋肤效应
(3)减小板材的介电常数：降低介电损耗(Dielectric Loss)，但将增加成本
(4)信号预加重和均衡处理：通过对跳变位预加重(Pre-Emphasis)处理，补偿线路上因信号跳变产生的针对高频分量的损耗
(5)阻抗不连续造成的反射，阻抗匹配减少反射

眼图信号的完整性指标

如何使用示波器的实时眼图功能分析信号完整性？

要降低高速数字PCB信号完整性风险，您需要检测和诊断串扰、抖动、垂直噪声和相位噪声。为了解决信号完整性问题，首先要在PCB生产之前进行EDA电磁信号完整性仿真。您可以使用高性能示波器和先进分析软件连接DUT，捕获实时眼图并进行详细分析。该软件可以将抖动与实时信号相关联，追踪造成抖动的信号分量。

先进的高性能信号完整性分析软件可以检测和量化分析窜扰，并确定哪些干扰源是造成信号劣化的主要原因。实时眼图分析软件在识别抖动和相位噪声问题方面能够发挥重要作用，这些问题会影响眼图的水平展开。垂直噪声会缩小眼图的开口。

眼图可以直观地显示信号的电压电平和时序特性。测试工程师通过分析眼图，可以诊断信号完整性问题。是德科技信号完整性测量解决方案由 KEYSIGHT UXR系列示波器和是德科技先进信号完整性分析软件组成。这个解决方案可提供快速准确的均衡，实时地仿真决策反馈均衡（DFE）、前馈均衡（FFE）和连续时间线性均衡（CTLE）建模。