淺析連接器設(shè)計中并發(fā)開關(guān)噪聲題庫

1、淺析連結(jié)器設(shè)計中的并發(fā)開關(guān)噪聲題庫淺析連結(jié)器設(shè)計中的并發(fā)開關(guān)噪聲題庫7/7淺析連結(jié)器設(shè)計中的并發(fā)開關(guān)噪聲題庫連結(jié)器設(shè)計中的并發(fā)開關(guān)噪聲剖析【導(dǎo)讀】本文將商討連結(jié)器設(shè)計和選擇中最難解決的問題：并發(fā)開關(guān)噪聲，并且揭露并發(fā)開關(guān)噪聲對高性能系統(tǒng)中使用的連結(jié)器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。在高速電路設(shè)計中，中國設(shè)計工程師往常不是特別認(rèn)識連結(jié)器的互感特征在改良信號完好性設(shè)計中的作用，本文將商討連結(jié)器設(shè)計和選擇中最難解決的問題：并發(fā)開關(guān)噪聲，并且揭露并發(fā)開關(guān)噪聲對高性能系統(tǒng)中使用的連結(jié)器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。人們老是以為系統(tǒng)中全部的工作都是由IC來達(dá)成的，自然也包含相應(yīng)的軟件。而近似于IC封裝、電路板、連結(jié)器、電纜

2、以及其余的失散元器件等無源器件只會降低系統(tǒng)性能，擴(kuò)大系統(tǒng)尺寸和增添系統(tǒng)成本。所以，系統(tǒng)中互連以及元器件的選擇和設(shè)計實質(zhì)上就是將這些成分對系統(tǒng)造成的影響降到最低。所以大部分的IC設(shè)計師往常將系統(tǒng)中不連結(jié)的全部部分（這往常是PCB設(shè)計師所波及的內(nèi)容）歸納為寄生成分這樣一個抽象的范圍。圖1：四種最主要的高速電路問題選擇IC器件時，除了選擇適合的元器件之外，后續(xù)的電路板布局布線工作還要切合以下設(shè)計規(guī)則：受控阻抗的PCB線；分支線上的信號延時小于最快信號上漲時間的20%；不連續(xù)性時間延時小于最快信號上漲時間的20%；相鄰PCB線擁有足夠的間距，保證信號串?dāng)_控制在能夠接受的電平上；合理的PCB分層設(shè)計保證

3、相鄰的電源和地平面層之間的介質(zhì)很??；每一個信號線下邊都有連續(xù)的信號返回路徑。即使PCB的布局布線做得特別好，事情仍舊沒有那么簡單。高性能系統(tǒng)中的每一個成分都需要優(yōu)化，保證切合整個系統(tǒng)在成本、性能和開發(fā)進(jìn)度等方面的要求。高性能的系統(tǒng)設(shè)計是一個環(huán)環(huán)相扣的鏈，每一個環(huán)節(jié)都一定切合要求，方能保證整個系統(tǒng)切合產(chǎn)品性能規(guī)范。系統(tǒng)中的其余要素將怎樣影響系統(tǒng)性能？可能的問題往常能夠歸納為兩種種類：時序問題和噪聲問題。信號完好性既包含時序問題也包含噪聲問題，但是噪聲問題更顯突出。圖1所示為互連和元器件致使的信號完好性問題的四種種類：1.單根網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量；2.兩根或許更多網(wǎng)絡(luò)之間的信號串?dāng)_；3.電源散布系統(tǒng)中的

4、噪聲；4.系統(tǒng)中元器件對外的電磁輻射。除非特別關(guān)注，并且項目一開始就著手考慮了這些問題，不然上述四種種類的問題就會出此刻高速產(chǎn)品中。本文將商討連結(jié)器（也包含IC封裝）的設(shè)計和選擇中最難解決的問題：并發(fā)開關(guān)噪聲（simultaneouslyswitchingnoise），并且揭露并發(fā)開關(guān)噪聲對高性能系統(tǒng)中使用的連結(jié)器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。并發(fā)開關(guān)噪聲對連結(jié)器和IC封裝來說，開關(guān)噪聲方面的高速性能要求是最難知足的。開關(guān)噪聲屬于信號串?dāng)_，主假如因為連結(jié)器和IC封裝中相鄰環(huán)路（由信號與返回路徑組成）之間的互感致使的。要使開關(guān)噪聲幅度最小，一定保證相鄰的信號路徑環(huán)路之間的互感小于一個同意的最大值。圖2：

5、丈量BGA封裝中的并發(fā)開關(guān)噪聲。當(dāng)信號經(jīng)過連結(jié)器或許IC封裝流傳時，信號的波前（信號波形中跳變的成分）經(jīng)過信號管腳組成一個電流環(huán)路，就會耦歸并且返回到信號的返回管腳上。每一個信號和對應(yīng)的返回路徑都能夠組成一個相像的環(huán)路。在任何兩個信號及其返回路徑組成的環(huán)路之間都存在一個環(huán)路互感。一個環(huán)路中的電流發(fā)生變化時，就會在此外一個靜止（信號電流沒有變化）的環(huán)路中感覺出信號噪聲。而當(dāng)多個變化的信號線并發(fā)開關(guān)時，經(jīng)過互感耦合到靜止環(huán)路的噪聲就會相互累計，所以稱為“并發(fā)開關(guān)噪聲”。圖2所示為五個數(shù)據(jù)線并發(fā)開關(guān)時丈量到的一個靜止信號線上的并發(fā)開關(guān)噪聲。在這個實例里，靜止信號線上的噪聲是由該靜止環(huán)路與全部五個變化

6、的環(huán)路之間的互感而造成的?；ジ械挠嬎悴杉{簡單的模型能夠很方便地估量出兩個信號環(huán)路之間同意的最大互感值。進(jìn)一步議論怎樣計算實質(zhì)連結(jié)器中相鄰環(huán)路之間的互感。當(dāng)信號經(jīng)過連結(jié)器的一個管腳對時，在變化的信號通路上，信號的波前處會出現(xiàn)信號電流的忽然變化。變化的電流會致使電壓噪聲并且感覺到相鄰的靜止信號環(huán)路上，這類感覺是因為兩個環(huán)路之間存在的互感惹起的。這類靜止信號線上感覺出來的噪宣稱之為開關(guān)噪聲，這是因為這類噪聲只有當(dāng)電壓或許電流處于開關(guān)狀態(tài)時才會出現(xiàn)。在靜止環(huán)路中感覺出的電壓噪聲能夠近似為：表達(dá)式各項的意義為：Vn，靜止環(huán)路中的噪聲；Lab，變化環(huán)路和靜止環(huán)路之間的互感；Ia，變化環(huán)路中的電流變化；Za

7、，在變化環(huán)路與靜止環(huán)路的視在阻抗；Va，變化環(huán)路中的信號電壓；t是信號的上漲時間，表示電流開關(guān)的快慢。選擇連結(jié)器或許IC封裝獨一能夠影響的就是環(huán)路之間的互感，而環(huán)路中信號視在阻抗往常都在50歐姆左右，該阻抗值與上漲時間及信號電壓相同都是系統(tǒng)規(guī)范的一部分。同意的開關(guān)噪聲幅度取決于噪聲分派。開關(guān)噪聲往常應(yīng)當(dāng)小于信號擺幅的5%到10%，自然噪聲的分派也取決于工程師的設(shè)計技巧，以及由誰來負(fù)責(zé)選擇連結(jié)器或許IC封裝。優(yōu)異的信號完好性工程師的談判代表特別清楚：要找到一個擁有足夠低互感的連結(jié)器或封裝將是多么的困難，所以他會盡可能地爭取一個更寬松的互感指標(biāo)，這樣做的結(jié)果必然致使系統(tǒng)中其余部分的規(guī)格更為嚴(yán)格。第

8、一能夠使用以下的值來開始這類估量：第一能夠使用以下的值來開始這類估量：由上述公式可計算出同意的最大互感值是1.2nVn/Va=5%，Za=50歐姆，t=0.5ns，圖3：連結(jié)器管腳的三維實體模型確立上述應(yīng)用假定條件后，就相當(dāng)于對連結(jié)器或封裝的信號路徑之間同意的互感值施加了拘束條件。自然，在時間、成本花費以及產(chǎn)品風(fēng)險之間衡量并且實行資源分派以前，優(yōu)異的設(shè)計工程師應(yīng)當(dāng)運用更為完美而全面的系統(tǒng)級仿真來觀察終究多大的互感能夠保證設(shè)計成功，并且不會對系統(tǒng)造成過多的負(fù)擔(dān)。所以，上邊的估量只是是一個最先的預(yù)期值事實上，上述估量過高地預(yù)計了同意的互感值，這是因為假定靜止信號線上的噪聲只是是由一根相鄰的變化信號

9、路徑的信號變化造成的。實質(zhì)的狀況下，往?？赡苡卸鄠€信號路徑并發(fā)變化，此中每一個開關(guān)的信號路徑都會對靜止信號線產(chǎn)生并發(fā)開關(guān)噪聲。依據(jù)連結(jié)器的設(shè)計，信號管腳之間實質(zhì)同意的互感值往常只有上邊估量值的一半到五分之一左右。連結(jié)器管腳對之間或封裝引線對之間的互感值為1.2nH是不是太大？我們來看一個詳細(xì)的實例，就會發(fā)現(xiàn)1.2nH其實是一個很小的值，而關(guān)于實質(zhì)的連結(jié)器或封裝需要做很多艱辛的工作才有可能減小該數(shù)值。提取連結(jié)器的環(huán)路互感在一般2mm間距的連結(jié)器模塊，這類連結(jié)器典型的管腳長度大概是25mm左右。如圖3所示，評估互感的值，能夠?qū)⑦B結(jié)器實質(zhì)的物理設(shè)計變換為保存導(dǎo)體全部幾何特征的三維實體模型。采納三維場

10、提取工具從導(dǎo)體的實體模型中提拿出局部的電感矩陣。相關(guān)系結(jié)器電感特征方面的問題都包含在這一個電感矩陣中。矩陣對角線上的元素是其局部自感，而不在對角線上的元素則是每管腳對之間的局部互感。20個管腳的連結(jié)器的完好電感矩陣如圖4所示。局部電感的觀點在剖析連結(jié)器和IC封裝的電氣性能方面特別有效。一個信號與另一個相鄰的信號之間共用同一個返回路徑的狀況很常有。管腳對1和2是變化的環(huán)路（信號會發(fā)生跳變），而管腳對2和3則是靜止的環(huán)路（信號不發(fā)生變化）。這兩個路徑之間的互感為：LAB=（L31-L32）+（L22-L21）-L22圖4：連結(jié)器中的全部20個管腳的局部互感矩陣。從場提取工具產(chǎn)生的表格中，能夠找到該

11、連結(jié)器的下述電感值：L31=7.9nHL32=10.9nHL21=10.9nHL22=19.9nHL41=6.3nHL42=7.9nH依據(jù)上述數(shù)值能夠計算出互感值是6nH。這就是共用同一個返回路徑的兩個信號路徑之間的互感值。與最先估量的1.2nH對比，6nH太大。假如應(yīng)用在這樣的設(shè)計環(huán)境下，能夠一定該連結(jié)器不可以正常工作。自然，假如有足夠的原因的確要在設(shè)計中運用這類連結(jié)器，一種方法是保證每一個信號都有各自獨立的返回路徑。在這類狀況下，一個環(huán)路使用管腳1和2，而另一個環(huán)路則使用管腳3和4。兩個環(huán)路之間的互感以下計算：LAB=（L31-L32）+（L42-L41）這樣計算出來的互感值是1.4nH。

12、可見只是經(jīng)過為每一個信號供給各自獨立的信號返回路徑，就能夠?qū)㈤_關(guān)噪聲減少四倍?？紤]到其余信號路徑信號同時變化的可能性，能夠看到即即是1.4nH這么小的值仍舊會產(chǎn)生3到5倍這么大的開關(guān)噪聲。此刻已經(jīng)特別清楚，對高速設(shè)計而言，慣例的連結(jié)器依據(jù)舊規(guī)的用法明顯不可以知足要求。任何可能降低管腳對之間互感的可行方法都應(yīng)當(dāng)考慮。減小互感原則上能夠采納兩種方法來減少連結(jié)器的互感。1.要保證盡可能短的路徑。Packard-Hughes企業(yè)的GoldDot連結(jié)器、Thomas和Betts企業(yè)的MetalParticleInterconnect（MPI）連結(jié)器就是采納了這類重點技術(shù)。而Tessera企業(yè)推出的CSP

13、器件封裝的一個重要特點就是擁有特別短的引線長度。在這些技術(shù)中總的引線長度能夠縮短到1mm。只是引線長度一項就能夠?qū)⑸线厡嵗邢噜徯盘柡头祷芈窂江h(huán)路之間的互感減小為上述電感數(shù)值的二十分之一。要降低每一個信號與對應(yīng)的返回路徑的特點阻抗。環(huán)路之間的互感與最小環(huán)路的自感成比率，減小一個管腳對的環(huán)路自感就等于是降低信號通路的特點阻抗。SamTec企業(yè)的連結(jié)器就采納了這樣的技術(shù)，這類連結(jié)器采納又寬又短的引線作為返回路徑。所以，器件封裝向采納內(nèi)部返回路徑層的BGA封裝轉(zhuǎn)移，或許從單層金屬的TBGA向雙層金屬的TBGA封裝轉(zhuǎn)移。從上邊的實例中能夠看出，信號和返回路徑管腳的分派相同也能影響最后的信號路徑之間的互

14、感。關(guān)于一個確立的連結(jié)器來說，管腳的選擇能夠用來優(yōu)化系統(tǒng)的性能。但是假如具備足夠的管腳做更為靈巧的信號和返回路徑分派，那么系統(tǒng)設(shè)計工程師往?？倳x擇分派更多的信號管腳。對連結(jié)器廠商供給參數(shù)的評估假定已經(jīng)對電路板設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，并且已經(jīng)估量出相鄰信號環(huán)路之間同意的最大互感值，那么，要告訴元器件廠商：所需要的連結(jié)器一定保證相鄰信號環(huán)路之間的互感值小于1nH。連結(jié)器廠商和IC封裝廠商往常都在機(jī)械工程和生產(chǎn)制造方面特別精湛，但不是特別認(rèn)識相關(guān)的電氣特征，甚至可能其實不知道他們應(yīng)當(dāng)供給連結(jié)器的互感特點。有的時候，這些器件廠商也供給管腳對之間的串?dāng)_電壓信息。正如前面所看到的那樣，這些值跟信號的上漲時間、阻抗以及信號和返回路徑對的分派都有很大關(guān)系。假如廠商給出特別狀況下的值與你的詳細(xì)應(yīng)用要求不相同的話，該怎樣評估這些值？用戶老是主動去獲取所需要的精準(zhǔn)信息，即信號與返回路徑環(huán)路之間的互感。并且應(yīng)當(dāng)向元器件廠商明確提出這是特別重要的一個設(shè)計指標(biāo)，假如元器件廠商不供給這些信息的話，你就不可以夠評估廠商供給的元器件可否在你的設(shè)計應(yīng)用中正常工作？假如廠商供給了這些指標(biāo)，也能夠進(jìn)一步地查明廠商是怎樣獲取這些參數(shù)的：是經(jīng)過丈量仍是經(jīng)過計算？假如是經(jīng)過丈量方法獲取的話，廠商能否采納了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的丈量流程？假