高速數(shù)字pcb信號(hào)完整性的影響因素

高速數(shù)字pcb信號(hào)完整性的影響因素

1數(shù)字電路系統(tǒng)串?dāng)_的設(shè)計(jì)信號(hào)完整性是指電路系統(tǒng)中信號(hào)的質(zhì)量。當(dāng)信號(hào)在所需時(shí)間內(nèi)不失真地從源端傳輸?shù)浇邮斩藭r(shí)，信號(hào)被認(rèn)為是完整的。它包括反射、串?dāng)_和時(shí)序等方面,其中串?dāng)_是保證信號(hào)完整性設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的方面。串?dāng)_是芯片上走線之間的寄生耦合,它普遍存在于數(shù)字電路中:芯片內(nèi)部、PCB板、接插件、芯片封裝以及通信電纜等。隨著技術(shù)的發(fā)展,消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越向小而快發(fā)展,在這種情況下,必須更加注意數(shù)字電路系統(tǒng)中的串?dāng)_現(xiàn)象。因此,了解串?dāng)_的機(jī)理以及如何在設(shè)計(jì)中避免就顯得非常重要。2壓噪聲干擾及原因分析串?dāng)_是指當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳輸時(shí),因電磁場(chǎng)而對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的電壓噪聲干擾。這種干擾是由于2條信號(hào)線之間的耦合,即信號(hào)線之間互感和互容耦合引起的。感性耦合產(chǎn)生耦合電壓,容性耦合則引發(fā)耦合電流。串?dāng)_按產(chǎn)生機(jī)理分為電感性和電容性,同時(shí)按串?dāng)_在被干擾線上產(chǎn)生的位置分為前向串?dāng)_與后向串?dāng)_。2.1被干擾線上的信號(hào)轉(zhuǎn)換當(dāng)干擾線上有一個(gè)由低到高變化的信號(hào)從源端傳向負(fù)載端時(shí),干擾線上的分布電感(容)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)變磁(電)場(chǎng),被干擾線將包括在這個(gè)磁(電)場(chǎng)里面。因此,變化的磁(電)場(chǎng)在被干擾線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓(電流)。圖1、圖2中,tr是信號(hào)的跳變時(shí)間,Tof是傳輸線延時(shí):這個(gè)感應(yīng)電流(電壓)分別向被干擾線的近端和遠(yuǎn)端2個(gè)方向傳播,朝近端傳播的串?dāng)_稱為近端串?dāng)_(也稱后向串?dāng)_);另一個(gè)向遠(yuǎn)端傳播的串?dāng)_稱為遠(yuǎn)端串?dāng)_(也稱前向串?dāng)_)。2.2脈沖的持續(xù)時(shí)間隨著信號(hào)不斷前移,被干擾線上前向串?dāng)_與信號(hào)以相同的速度向前移動(dòng),因此各串?dāng)_點(diǎn)感應(yīng)的前向串?dāng)_噪聲是不斷疊加的。同時(shí),串?dāng)_只產(chǎn)生于信號(hào)變化的時(shí)刻,前向脈沖的持續(xù)時(shí)間等于干擾信號(hào)的跳變時(shí)間。因此,前向串?dāng)_表現(xiàn)為一個(gè)尖端脈沖。2根線的串?dāng)_長(zhǎng)度越長(zhǎng),脈沖的峰值越大。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)干擾線時(shí),時(shí)變的電場(chǎng)在被干擾線上產(chǎn)生一個(gè)極性和原信號(hào)相同的容性串?dāng)_電壓,而時(shí)變的磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)極性相反的感性串?dāng)_電壓。因此,對(duì)于前向串?dāng)_,表現(xiàn)為容性串?dāng)_和感性串?dāng)_的互相抵消,當(dāng)兩者的串?dāng)_長(zhǎng)度相同時(shí),前向串?dāng)_完全消失。實(shí)際中很少有容性和感性串?dāng)_完全抵消的情況,但在許多串?dāng)_環(huán)節(jié)里,前向串?dāng)_確實(shí)相當(dāng)小,而后向串?dāng)_是考慮的重點(diǎn)。2.3返回近端tof后向串?dāng)_產(chǎn)生的機(jī)制和前向串?dāng)_相同,但它與前向串?dāng)_之間存在一些不同點(diǎn)。由于后向串?dāng)_與干擾信號(hào)的方向相反,因此各串?dāng)_點(diǎn)的噪聲是源源不斷的回到近端的,表現(xiàn)為一個(gè)長(zhǎng)脈沖。后向串?dāng)_從信號(hào)離開(kāi)源端開(kāi)始,經(jīng)過(guò)Tof,信號(hào)到達(dá)負(fù)載端,此時(shí)該串?dāng)_點(diǎn)產(chǎn)生的后向串?dāng)_還要經(jīng)過(guò)一個(gè)Tof才能回到近端。因此,后向串?dāng)_的脈沖寬度等于兩倍的串?dāng)_線的延時(shí)。后向串?dāng)_的容性和感性部分具有相同的極性,與干擾信號(hào)的極性相同,因此它們相互疊加而不是抵消。當(dāng)傳輸線延時(shí)大于的1/2tr時(shí),后向串?dāng)_達(dá)到峰值,串?dāng)_電壓峰值將不隨傳輸線長(zhǎng)度的增加而增大,即后向串?dāng)_達(dá)到飽和。2.4傳輸線延遲的影響只有跳變的信號(hào)產(chǎn)生串?dāng)_,并且后向串?dāng)_持續(xù)的時(shí)間為2Tof。因此,如果在2倍的傳輸線延時(shí)內(nèi)信號(hào)跳變沿的最后一部分還沒(méi)有開(kāi)始傳輸(tr>2Tof),那么后向串?dāng)_將達(dá)不到它的峰值。所以,當(dāng)傳輸線的延時(shí)小于1/2tr時(shí),增加傳輸線,后向串?dāng)_隨之增加。實(shí)際上,傳輸線的飽和長(zhǎng)度即是1/2的信號(hào)上升時(shí)間。3傳輸模式和可靠性3.1不同模式下的字符串干擾(1)奇模傳輸模式當(dāng)2根耦合的傳輸線相互之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值相同但相位相差180度的時(shí)候,稱為奇模傳輸模式。由于2線間總是存在電位差,此時(shí)電場(chǎng)耦合加強(qiáng),互容增加,等效電容增大。又因?yàn)殡娏髁飨蚩偸窍喾?產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是相互抵消,所以磁場(chǎng)耦合減弱,互感減小,等效電感減小。圖3為奇模下的電磁場(chǎng)分布圖。(2)偶模傳輸模式當(dāng)2條耦合傳輸線上驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度與相位都相同時(shí),稱為偶模傳輸模式。與奇模傳輸模式的分析類似,可知此時(shí)電場(chǎng)耦合減弱,磁場(chǎng)耦合增強(qiáng)。互容減小,互感增加,等效電容變小,等效電感增大,圖4為偶模下的電磁場(chǎng)分布。3.2奇偶模型傳輸線的匹配在奇/偶模激勵(lì)方式下,具有3個(gè)電阻的π型和T型網(wǎng)絡(luò)都能很好匹配一對(duì)耦合傳輸線并防止反射。(1)奇模抗激勵(lì)電參照?qǐng)D5,電阻R1,R2,和R3必須進(jìn)行合適地選擇以匹配奇/偶模時(shí)的傳輸。偶模激勵(lì)時(shí),V1=V2,所以R3沒(méi)必要使用,R1=R2=偶模阻抗值;奇模激勵(lì)時(shí),V1=-V2,R3分為2個(gè)大小為1/2R3的串聯(lián)電阻,兩電阻中間為虛擬交流地。所以R1、R2和R3在π型匹配網(wǎng)絡(luò)中的阻值如下:R1=R2=Zeven(1)R3=2(Zeven)(Zodd)Zeven?Zodd(2)R1=R2=Ζeven(1)R3=2(Ζeven)(Ζodd)Ζeven-Ζodd(2)(2)奇?？箂1另外一個(gè)能夠同時(shí)解決奇/偶模匹配的方法是使用T型電阻網(wǎng)絡(luò),如圖6所示。偶模激勵(lì)時(shí),V1=V2,將R3等效為2R3的并聯(lián),則R1(R2)+2R3=偶模阻抗;奇模激勵(lì)時(shí),V1=-V2,可以認(rèn)為R1(R2)與R3相連的中心點(diǎn)為交流AC地,由R1、R2進(jìn)行奇模匹配,則R1=R2=奇模阻抗。所以R1、R2和R3在T型匹配網(wǎng)絡(luò)中的阻值如下:R1=R2=Zodd(3)R3=12(Zeven?Zodd)(4)R1=R2=Ζodd(3)R3=12(Ζeven-Ζodd)(4)3.3加入端接匹配串?dāng)_在很多設(shè)計(jì)中都會(huì)出現(xiàn),而且會(huì)破壞系統(tǒng)的性能。筆者給出一些關(guān)于減少串?dāng)_的基本規(guī)則,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,遵循這些規(guī)則,可以在很大程度上改善串?dāng)_。(1)在布線空間允許的條件下,加入端接匹配可以減小或消除反射,從而減小串?dāng)_。(2)在情況允許的情況下,盡量增大走線之間的距離,運(yùn)用3W規(guī)則,即保證線間距不能小于走線的線寬,并且不要走平行長(zhǎng)線。(3)地平面和傳輸線之間的距離應(yīng)保持在0.254mm(10mils)之內(nèi)。盡量使傳輸線緊密地與地平面進(jìn)行耦合,減少對(duì)臨近信號(hào)線的干擾。(4)差分信號(hào)要保持相同間距和長(zhǎng)度走線,即等長(zhǎng)平行線。(5)在多層板設(shè)計(jì)中,層間距盡可能小,盡量錯(cuò)開(kāi)層間的平行線,保持足夠的距離。4集群模擬的示例基于Hyperlynx信號(hào)完整性工具對(duì)傳輸線進(jìn)行的串?dāng)_仿真,比較不同情況下的串?dāng)_表現(xiàn)。(1)耦合控制mils微帶線的線寬、線間距均為0.2032mm(8mils),耦合長(zhǎng)度7.62cm(3inch),介質(zhì)厚度0.254mm(10mils),驅(qū)動(dòng)采用CMOS3.3V,介質(zhì)常數(shù)4.3。(2)連接線連接2條線分別端接大小與特性阻抗相同的電阻;(3)介質(zhì)厚度保持不變，線間距增加將線間距由0.2032mm(8mils)改為0.5588mm(22mils);(4)驅(qū)動(dòng)端與傳輸線接收端對(duì)比將介質(zhì)層厚度由0.245mm(10mils)改為0.127mm(5mils)。4種情況進(jìn)行電路仿真后的波形分別如圖7中(a)、(b)、(c)、(d)所示。圖7中標(biāo)注(1)、(2)分別對(duì)應(yīng)在驅(qū)動(dòng)端波形和傳輸線接收端的波形。圖7(a)中,傳輸線未采取任何端接方案,由于反射的存在,串?dāng)_噪聲較大。將圖7中(b)、(c)、(d)分別與(a)對(duì)比可知,對(duì)傳輸線進(jìn)行端接后,消除反射,減小串?dāng)_噪聲;同時(shí),增加線間距以及減小介質(zhì)厚度,均可以改善串?dāng)_現(xiàn)象。因此,串?dāng)_與線間距和介質(zhì)厚度成反比。(5)驅(qū)動(dòng)端接收端波形差分驅(qū)動(dòng)采用ECLINPS100K,Vcc=5V,Vss=0V,由ECL驅(qū)動(dòng)的要求,增加2個(gè)50Ω的下拉電阻,如圖8所示。為了達(dá)到100Ω的目標(biāo)阻抗,傳輸線參數(shù)的設(shè)定如下:線長(zhǎng)7.62cm(3inch),線寬0.1524(6mils),線距0.1778(7mils),介質(zhì)厚度0.127(5mils),此時(shí)差分阻抗100.2Ω,最接近目標(biāo)阻抗。比較端接前和端接后的波形,可以發(fā)現(xiàn)端接極大改善了振鈴現(xiàn)象。圖8中(1)、(2)分別對(duì)應(yīng)差分線驅(qū)動(dòng)端和接收端的波形。圖8中,(a)為未端接交流阻抗的波形,事實(shí)上,由于差分線的遠(yuǎn)端并未端接,波形中大量的振鈴現(xiàn)象是必然的,而在兩線間端接大小與差分阻抗相等的電阻后,如圖(b),仿真波形接近理想差分波形,幾乎沒(méi)有串?dāng)_現(xiàn)象,所以差分線可以保證傳輸信號(hào)的完整。(6)差分線長(zhǎng)及距離觀察繼續(xù)采用(5)中的模型,此時(shí)再加上另一條由CMOS5V驅(qū)動(dòng)的走線,線寬0.1524mm(6mils),線長(zhǎng)7.62cm(3inch),與最近的一條差分線的距離為0.203