高速电路信号完整性透彻分析及PCB设计基础课件.pptx
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1、高速电路信号完整性透彻分析及PCB设计基础内容提要1.信号完整性分析的必要性 何谓“高速电路”?信号上升时间信号上升时间RTRT与信号带宽信号带宽BWBW2.信号完整性分析基础 传输线传输线的物理基础 传输线与反射反射 传输线与串扰串扰 差分对与差分阻抗差分阻抗3.高速电路PCB设计基础 当今流行的PCB设计工具简介 电阻、电容的选型及应用 PCB设计要点参考书目 信号完整性分析Eric Bogatin著,李玉山 译 高速数字设计Howard Johnson著,沈立 译 信号完整性问题和印制电路板设计刘雷波 译 高速电路设计实践王剑宇 编著 1.信号完整性分析的必要性信号完整性分析的必要性 电
2、路设计只存在两类人:已经遇到已经遇到信号完整性问题的人 将要遇到将要遇到信号完整性问题的人 物理互连的电阻、电容、电感和传输线效应影响了系统性能。Eric将后果归结为四类SI问题:反射反射(reflection)(reflection);串扰串扰(crosstalk)(crosstalk);电源噪声电源噪声(同步开关(同步开关SSNSSN、地弹、轨道塌陷)、地弹、轨道塌陷);电磁干扰电磁干扰(EMI)(EMI)。根据时钟频率clk估算有效带宽BW BW=5clk (GHz)(保守估计)(保守估计)计算信号有效波长:(信号在PCB上的速度:6in/ns)判断:如果信号传输长度 L/6=1/BW(
3、in),则可以认为此电路为高速电路!高速电路的简单判断方法 6(in/)nsc()BWHBW G z算例1:时钟频率为50MHz,BW=0.25GHz,则尺寸L大于4in(约10cm)算例2:时钟频率为20MHz,BW=0.10GHz,则尺寸L大于10in(25.4cm)均可认为是高速电路!低速信号:集总式集总式思维,认为传输线上各点状态相同,在分析时可被集中成一点;高速信号:分布式分布式思维,认为传输线上各点状态不同,在分析时应视为不同的多点!信号上升时间(RT)第一种定义为10-9010-90上升时间上升时间,即信号从高电平的10%上升到90%所经历的时间。另一种是20-8020-80上升
4、时间上升时间,即信号从高电平的20%上升到80%所经历的时间。两种都被采用,从IBIS模型中可看到这点。对于同一种波形,自然20-80上升时间要更短。信号上升时间RT约为信号周期信号周期Tclk的的7%带宽BW(膝频率膝频率Fknee)与上升时间RT的关系:BW=0.35/RT=5clk 信号的上升边沿越陡峭,上升时间越短,信号的信号的上升边沿越陡峭,上升时间越短,信号的带宽越宽!带宽越宽!此处时钟频率虽然只有此处时钟频率虽然只有100MHz,但但其有效带宽可能超过其有效带宽可能超过500MHz!321751 随着信号上升时间RT的减小,反射、串扰、轨道塌陷、电磁辐射、地弹等问题变得更严重,噪
5、声问题更难于解决,上一代产品中设计方案在这一代产品中可能不适用了。信号陡峭的上升沿,是产生信号完整性问信号陡峭的上升沿,是产生信号完整性问题的罪魁祸首题的罪魁祸首。信号完整性(SI)定义 信号完整性(Signal Integrety,SI)最原始的含义:信号是否能保持其应该具有的波形。信号完整性信号完整性是指在电路设计中互连线互连线引起的所有问题,它主要研究互连线互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后,如何影响到产品性能的问题。主要表现:对时序的影响、信号振铃、信号反射、对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、近端串扰、远端串扰、开关噪声
6、、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。信号完整性信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小信号上升时间的减小。即使布线拓扑结构没有变化,如果采用了信号上升时间很小的IC芯片,现有设计也可能工作失败。研究SI的必要性 原先对方干扰、噪声的三大经典法宝:接地、接地、滤波、屏蔽滤波、屏蔽,显得感性和粗放(对付外扰)在过去的低速时代,电平跳变时信号上升时间较长,器件间的互连线不至于影响电路的功能,没必要关心信号完整性问题。但在今天的高速时代,随着IC输出开关速度的提高,很多都在皮秒级,不管信号周期如何,几乎所有设计都遇到了信号完整
7、性问题。另外,对低功耗追求使得内核电压越来越低,1.2v内核电压已经很常见了。因此系统能容忍的噪声余量越来越小,这也使得信号完整性问题更加突出。这是一个受反射反射影响的方波数字信号,波形的畸变仅仅是反射的结果,没有迭加其他噪声。假设低电平逻辑小于0.7v,高电平大于2v。对于高电平来说,震荡的低谷部分可能会冲到2v以下,此时电路处于不定态,可能引起电路误动作。2.信号完整性分析基础信号完整性分析基础传输线传输线的物理基础传输线与反射反射传输线与串扰串扰差分对与差分阻抗差分阻抗 理解阻抗阻抗是理解信号完整性问题的关键。瞬态阻抗 特性阻抗 可控阻抗2.1 传输线理论传输线理论信号路径信号路径返回路
8、径返回路径信号完整性的许多问题,都是返回路径设计不当产生的。要认真设计信号之外其他路径的几何形状。返回路径有时是个电压平面,如Vcc或Vdd平面;有时是一个低电压平面(地平面)。twisted pair 双绞线 coax 同轴电缆 coplanar 共面线 microstrip 微带线 embedded microstrip 嵌入微带线 stripline 带状线 asymmetric stripline 非对称带状线 互连中常用的各种均匀传输线横截面举例 信号在传输线的传播实际上是信号路径与信号路径与返回路径之间的电容在不停地充电!返回路径之间的电容在不停地充电!传输线的瞬时阻抗传输线的瞬时
9、阻抗信号受到的瞬态阻抗就是信号电压信号受到的瞬态阻抗就是信号电压V与电流与电流I的比值!的比值!其中:Z 传输线的瞬态阻抗,CL 单位长度电容量,pF/in v 材料中的光速 er 材料的介电常数传输线的瞬时阻抗传输线的瞬时阻抗为了保持良好的信号完整性,最重要方法就是为了保持良好的信号完整性,最重要方法就是保持信号受到的瞬态阻抗恒定!保持信号受到的瞬态阻抗恒定!对于均匀传输线,当信号在上面传播时,在任何一处受到的瞬态阻抗都是相同的。在瞬态阻抗不变时,我们将其称为特性阻抗特性阻抗。特性阻抗在数值上与均匀传输线的瞬态阻抗相等,它是传输线的固有属性,且仅与电容电容量量有关,而与传输线长度、材料特性、
10、介电常数和单位长度无关。传输线的特性阻抗为传输线的特性阻抗为:传输线的特性阻抗传输线的特性阻抗特性阻抗描述了信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻特性阻抗描述了信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻抗,这是影响传输线信号完整性的一个主要因素。抗,这是影响传输线信号完整性的一个主要因素。对返回路径的理解对返回路径的理解 任何影响信号电流路径或返回电流路径的任何影响信号电流路径或返回电流路径的因素都会影响信号受到的阻抗。无论是对因素都会影响信号受到的阻抗。无论是对于于PCB板、插头、还是板、插头、还是IC封装,封装,返回路径返回路径都必须像信号路径一样认真设计。都必须像信号路径一样认真设计。任何干扰电流回路的
11、因素,都会干扰信号并造成信号失真,这将损害信号完整性。为了保持良好的信号完整性,为了保持良好的信号完整性,控制电流波前沿和电压波前沿都非常重要。做到这一点的最重最重要方法就是保持信号受到的瞬态阻抗恒定。要方法就是保持信号受到的瞬态阻抗恒定。提示提示 任何影响信号电流路径或返回电流路径的因素都会影响信号受到的阻抗。无论是对于 PCB 板、插头、还是 IC 封装,返回路径都必须像信号路径一样认真设计。如果返回路径是一个平面,我们就会问返回电流在哪里流动?电流在平面上是如何分布的?要计算需要用二维场求解器。小结小结 1.传输线是一种新的基础性理想电路元件,它精确地描述了均匀横截面互连线的所有电气特性
12、。2.不再使用“地”这个词,采用返回路径这一术语。3.信号在传输线中的传播速度等于导线周围材料中的光速,它主要由绝缘体的介电常数决定。4.传输线的特性阻抗描述了当信号在均匀线上传输时所受到的瞬态阻抗。5.传输线的特性阻抗与单位长度电容和信号速度呈现相反的关系。2.2 传输线的反射传输线的反射 如果信号沿互连线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化,则一部分信号将被反射,这一原理正是多数信号完整性问题产生的主要原因。反射系数反射系数其中:Vr 反射电压 Vi 入射电压 Z1 信号最初所在区域的瞬态阻抗 Z2 信号进入区域2 时的瞬态阻抗?反射系数 无论什么原因使瞬态阻抗发生了改变,部分信号将沿着与原传无
13、论什么原因使瞬态阻抗发生了改变,部分信号将沿着与原传播方向相反的方向反射。将瞬态阻抗发生改变的地方称为阻抗播方向相反的方向反射。将瞬态阻抗发生改变的地方称为阻抗突变。因此,突变。因此,PCB布线多用圆弧、布线多用圆弧、45度拐角,不能用直角!度拐角,不能用直角!三种反射情况三种反射情况:反射实例反射实例已知:源电压1V,内阻10,传输线的特性阻抗为50,时延为1 ns。-0.56 V信号到达源端后仍然会再次反射,反射电压是+0.37 V。在远端,总电压 0.56V+0.37V+0.37V 1.3V。开路处的实际电压有时大于源电压。源电压仅1V,然而远端测得的最大电压是1.68V。高出的电压是怎
14、么产生的?它是有传输线的分布参数 L、C 的谐振产生的。在上述情况下,内阻小于传输线的特性阻抗,内阻小于传输线的特性阻抗,源端出源端出现的是负反射,这将引起通常所说的现的是负反射,这将引起通常所说的振铃现象振铃现象。改进措施:采用串联端接,使信号源内阻改进措施:采用串联端接,使信号源内阻与传输线特性阻抗相等!与传输线特性阻抗相等!PCB 板上线条接源端串接电阻40(红色红色)、不接源端串联端接电阻(蓝色蓝色)负载端不同的电压信号PCB板上的晶振输出通常要串接一个电阻,为什么?板上的晶振输出通常要串接一个电阻,为什么?通用源端端接策略通用源端端接策略 振铃是由源端和远端的阻抗突变、两端之间不断往
15、复多次反射引起的。所以,如果我们至少在一端消除反射,就可以减小振铃噪声。提示提示 控制传输线一端或两端的阻抗,从而减小反射的方法称为传输线的端接。典型的方法是在重要位置上放置一个或多个电阻。一个驱动器驱动一个接收器的情况称为点对点的拓扑结构。图8.17 示例了端接点对点拓扑结构的四种方法。最常用的方法是将电阻串联在驱动器端,这称为源端串联端接。端接电阻与驱动器内阻之和应等于传输线的特性阻抗。小结小结 1.信号无论在何处遇到阻抗突变,会发生发射,传输信号会失真。这是单一网络信号质量问题的主要根源。2.一个粗略的经验法则:只要传输线的长度(in)比信号上升时间(ns)长,就需要端接,以避免过量的振
16、铃噪声。3.源端串联端接是点对点互连常用端接方式。添加串联电阻,并使此电阻器与源阻抗之和等于导线的特性阻抗。4.对于涉足信号完整性问题的工程师而言,SPICE 仿真器或行为仿真器是不可缺少的。它们可以对由于阻抗突变而产生的多次反射进行仿真。2.3 串扰串扰串扰是由电磁耦合形成的,耦合分为容性耦合和感性耦合两种。容性耦合容性耦合是由于干扰源(攻击线Aggressor)上的电压电压变化变化在被干扰对象(静态线Victim)上引起感应电流从而导致的电磁干扰。感性耦合感性耦合则是由于干扰源上的电流变化电流变化产生的磁场在被干扰对象上引起感应电压从而导致的电磁干扰。容性耦合容性耦合感性耦合感性耦合串扰的
17、特点串扰的特点耦合长度越短,间距越大,串扰就越小。电流反向时的串扰要大于电流同向时的串扰。频率越高,串扰幅值增加得越快。信号的上升变化越快,串扰越大。PCB板层厚度减小时,串扰有明显减小。带状传输线的串扰要小于微带传输线的串扰 如果给动态线和静态线端接电阻,使之待到阻抗匹配,就能有效抑制串扰。降低串扰的措施降低串扰的措施 串扰不可能完全消除,它只能减小。通常减小串扰的设计特点包括以下几个方面:1.增加信号路径之间的间距;2.用平面作返回路径;3.使耦合长度尽量短;4.在带状线层布线;5.减小信号路径的特性阻抗 6.使用介电常数较低的叠层 7.在封装和接插件中不要共用返回引脚;8.使用两端和整条
18、线上有短路过孔的防护布线。9如果相邻层的传输线有较严重的耦合存在(如层和)时,走线时应彼此正交。10对于要求严格的网络在系统设计允许时可以使用差分线技术,比如系统时钟信号。2.4 差分信号差分信号 差分信号广泛应用于小型计算机可升级接口(SCSI、USB、1394 等)总线及以太网中;还应用于光纤远程通信协议,如OC-48(STM-16,2.5Gbps、OC-192(STM-64,10G)OC-768(STM-256,40G);以及以双绞线为主要载体的通信中。其中一种获得最广泛应用的信号(令)模式就是低压差分信号(LVDS Low Voltage Differential Signaling)
19、。(一提到差分,就会联想到LVDS,PCI Express总线,也是一根一根分开传)1.1.差分对最重要的性质就是它的横截面积是恒定不变的,而且它对差分信号有一个恒定的阻抗。这些特性将会保证反射和失真达到最小。(解决反射问题)2.2.差分对第二个重要的性质就是每条线上的时延是相同的,从而确保了差分信号边沿陡峭。如果两条传输线上出现任何时延差或错位(skew),都会使部分差分信号变成共模信号。3 3传输线的长度也必须完全相同。线的总长度完全相同能保证传输线时延相同,使错位最小。4.4.两条传输线结构要完全相同,线的宽度和两条线间的介质间距也完全相同。这种特性叫对称性。一条线上有测试焊盘而另一条没
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