【干貨】高速電路設(shè)計(jì)中，串行信號(hào)的設(shè)計(jì)與仿真【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-05-17  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

【摘要】

隨著電子設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步,要求更高速率信號(hào)的互連。在傳統(tǒng)并行同步數(shù)字信號(hào)的數(shù)位和速率將要達(dá)到極限的情況下,開(kāi)始轉(zhuǎn)向從高速串行信號(hào)尋找出路。QPI(By Intel)、HyperTansport(by AMD)、 Infiniband(by Intel)、PCI-Express 4.0(by Intel)、USB3.1、SATA4.0等I/O總線標(biāo)準(zhǔn)都為高速串行信號(hào)。本文將從高速串行信號(hào)仿真、設(shè)計(jì),等多方面探討合適的高速串行信號(hào)的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞:高速串行信號(hào),PCB設(shè)計(jì),仿真,信號(hào)完整性

一、前言

隨著近幾年對(duì)速率的要求快速提高,新的總線協(xié)議不斷的提出更高的速率。傳統(tǒng)的總線協(xié)議已經(jīng)不能夠滿足要求了。串行總線由于更好的抗干擾性,和更少的信號(hào)線,更高的速率獲得了眾多設(shè)計(jì)者的青睞。而串行總線又尤以差分信號(hào)的方式為最多。

二 、串行信號(hào)的PCB設(shè)計(jì)

1. 差分信號(hào)的概念和優(yōu)點(diǎn)

差分信號(hào)(Differential Signal)在高速電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,電路中最關(guān)鍵的信號(hào)往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。何為差分信號(hào)?通俗地說(shuō),就是驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào),接收端通過(guò)比較這兩個(gè)電壓的差值來(lái)判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”,而承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線就稱為差分走線。

差分信號(hào)與普通的單端信號(hào)走線相比,最明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:

(1)抗干擾能力強(qiáng)。因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好,當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí),幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上,而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值,所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

(2)能有效抑制EMI。由于兩根信號(hào)的極性相反,他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消。耦合的越緊密,互相抵消的磁力線就越多。泄露到外界的電磁能量越少。

(3)時(shí)序定位精確。由于差分信號(hào)的開(kāi)關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn),而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閥值電壓判斷,因而受工藝,溫度的影響小,能降低時(shí)序上的誤差,同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的LVDS(low voltage differential signaling)就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。

2.高速串行信號(hào)在PCB上的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高速串行信號(hào)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信以及消費(fèi)電子領(lǐng)域。高速串行信號(hào)不僅是差分信號(hào),而且還是高速數(shù)字信號(hào)。因此高速串行信號(hào)傳輸媒質(zhì)不管使用的是PCB線還是電纜,都必須采取措施防止信號(hào)在媒質(zhì)終端發(fā)生反射,同時(shí)應(yīng)減少電磁干擾以保證信號(hào)的完整性。只要我們?cè)诓季€時(shí)考慮到以上這些要素,設(shè)計(jì)高速差分線路板并不很困難。下面簡(jiǎn)要介紹高速串行信號(hào)在PCB上的設(shè)計(jì)要點(diǎn):

2.1 布成多層板

有高速串行信號(hào)的電路板一般都要布成多層板。由于高速串行信號(hào)屬于高速信號(hào),與其相鄰的層應(yīng)為地層,對(duì)高速串行信號(hào)進(jìn)行屏蔽防止干擾。對(duì)于密度不是很大的板子,在物理空間條件允許的情況下,最好將高速串行信號(hào)與其它信號(hào)分別放在不同的層。例如,在四層板中,通?？梢园匆韵逻M(jìn)行布層:高速串行信號(hào)層、地層、電源層、其它信號(hào)層。

2.2 高速串行信號(hào)阻抗計(jì)算與控制。

高速串行信號(hào)的電壓擺幅較低,適于電流驅(qū)動(dòng)的差分信號(hào)方式工作。為了確保信號(hào)在傳輸線當(dāng)中傳播時(shí)不受反射信號(hào)的影響,高速串行信號(hào)要求傳輸線阻抗受控,通常差分阻抗為100- /-10Ω(USB 為90ohm)。阻抗控制的好壞直接影響信號(hào)完整性及延遲。如何對(duì)其進(jìn)行阻抗控制呢?

(1)確定走線模式、參數(shù)及阻抗計(jì)算。高速串行分外層微帶線差分模式和內(nèi)層帶狀線差分模式。阻抗可以通過(guò)合理設(shè)置參數(shù),利用相關(guān)軟件計(jì)算得出。通過(guò)計(jì)算,阻抗值與絕緣層厚度成正比,與介電常數(shù)、導(dǎo)線的厚度及寬度成反比。

(2)走平行等距線及緊耦合原則。確定走線線寬及間距后,在走線時(shí)嚴(yán)格按照計(jì)算出的線寬和間距,兩線的間距要一直保持不變,也就是要保持平行(可以放圖)。同時(shí)在計(jì)算線寬和間距時(shí)最好遵守緊耦合的原則,也就是差分對(duì)線間距小于或等于線寬。當(dāng)兩條差分信號(hào)線距離很近時(shí),電流傳輸方向相反,其磁場(chǎng)相互抵消,電場(chǎng)相互耦合,電磁輻射也要小得多。而且要兩條線走在同一層,避免分層走線。因?yàn)樵?span>PCB板的實(shí)際加工過(guò)程中,由于層疊之間的層壓對(duì)精確度大大低于同層蝕刻精度,以及層壓過(guò)程中的介質(zhì)流失,不能保證差分線的間距等于層間介質(zhì)厚度,會(huì)造成層間差分對(duì)的差分阻抗變化。

(3)走短線、直線。為確保信號(hào)的質(zhì)量,高速串行差分對(duì)走線應(yīng)該盡可能地短而直,減少布線中的過(guò)孔數(shù),避免差分對(duì)布線太長(zhǎng),出現(xiàn)太多的拐彎,拐彎處盡量用45°或弧線,避免90°拐彎。

2.3 不同差分線對(duì)間處理

差分對(duì)走線方式的選擇沒(méi)有限制,微帶線和和帶狀線均可,但是必須注意要有良好的參考平面。對(duì)不同差分線之間的間距要求間隔不能太小,至少應(yīng)大于3-5倍差分線間距。必要時(shí)在不同差分線對(duì)之間加地孔隔離以防止相互間的串?dāng)_。高速串行信號(hào)盡量遠(yuǎn)離其它信號(hào)。高速串行差分信號(hào)不可以跨平面分割。盡管兩根差分信號(hào)互為回流路徑,跨分割不會(huì)割斷信號(hào)的回流,但是跨分割部分的傳輸線會(huì)因?yàn)槿鄙賲⒖计矫娑鴮?dǎo)致阻抗的不連續(xù)(如圖所示,其中GND1、GND2為高速串行相鄰的地平面)。

圖1:差分對(duì)線

接收端的匹配電阻的布局。對(duì)接收端的匹配電阻到接收管腳的距離要盡量靠近。同時(shí)匹配電阻的精度要控制。對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)的拓?fù)?走線的阻抗通?？刂圃?span>100Ω,但匹配電阻可以根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行調(diào)整。電阻的精確度最好是1%-2%。因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)驗(yàn),10%的阻抗不匹配就會(huì)產(chǎn)生5%的反射。

三、高速串行信號(hào)的仿真分析

以上分析了高速串行信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的事項(xiàng),雖然在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候一般都會(huì)遵守以上的規(guī)則進(jìn)行,但是為了能夠提高設(shè)計(jì)的正確性和準(zhǔn)確行必須對(duì)PCB進(jìn)行信號(hào)完整行仿真,通過(guò)仿真得到信號(hào)的串?dāng)_、延時(shí)、反射和眼圖波形,從而達(dá)到設(shè)計(jì)即正確的目標(biāo)。信號(hào)完整性問(wèn)題的仿真流程是先建立元器件的仿真模型,然后進(jìn)行前仿真確定布線過(guò)程的參數(shù)和約束條件,物理實(shí)現(xiàn)階段按照約束條件進(jìn)行設(shè)計(jì),最后進(jìn)行后仿真,驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求。在整個(gè)流程中模型的精確性直接影響仿真的結(jié)果,而在前仿真和后仿真階段用到的仿真分析方法對(duì)于仿真結(jié)果同樣至關(guān)重要,而在本設(shè)計(jì)中采用了精確度較高的spice模型。下面結(jié)合實(shí)際的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)明仿真在本設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程。

3.1. PCB疊層設(shè)置

由上面的分析知道,PCB板的疊層設(shè)置和信號(hào)的耦合以及阻抗計(jì)算都有著密切的關(guān)系,所以在開(kāi)始PCB設(shè)計(jì)之前必須進(jìn)行疊層設(shè)計(jì),然后進(jìn)行信號(hào)的阻抗計(jì)算。在本設(shè)計(jì)中的疊層設(shè)計(jì)見(jiàn)下圖:

圖2:疊層設(shè)計(jì)

由于PCB密度較高,本設(shè)計(jì)采用10層板的疊層結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)合理的安排疊層厚度,通過(guò)ADS CILD軟件計(jì)算,表面微帶和內(nèi)層帶狀線的差分線在線寬6㏕線間距6㏕時(shí),阻抗理論計(jì)算值分別為100.1和98.8Ω。符合阻抗控制要求。

3.3. 模型

在板級(jí)高速PCB仿真過(guò)程中主要用要的模型有器件模型和傳輸線模型。器件模型一般是由器件生產(chǎn)廠家提供的。在高速串行信號(hào)中,我們采用的是精度更高的SPICE模型來(lái)進(jìn)行仿真分析。傳輸線模型則是通過(guò)仿真軟件建模形成的。信號(hào)在傳輸時(shí),傳輸線會(huì)使得信號(hào)完整性問(wèn)題突出,因此仿真軟件對(duì)傳輸線精確建模的能力直接影響仿真結(jié)果。

圖3:a:差分對(duì)線模型 b:帶狀線 c: 微帶線

而信號(hào)路徑和返回路徑所在的傳輸線不可能是理想的導(dǎo)體,因此它們都有有限的電阻,電阻的大小由傳輸線的長(zhǎng)度和橫截面積決定。任何傳輸線都可以劃分為一系列串接線段。同樣的在傳輸線之間的介質(zhì)也不可能是理想的絕緣體,漏電流總是存在的。實(shí)際的傳輸線模型由無(wú)數(shù)個(gè)短線段組成,短線段的長(zhǎng)度趨于零。

3.4. 提取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蚐參數(shù)

在PCB中查看關(guān)注信號(hào)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),一般包括驅(qū)動(dòng)端和接收端,以及傳輸線和相關(guān)的匹配電阻電容等,可以從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中看出該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)那些路徑,那些會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸造成影響。如下圖4所示為一個(gè)典型的串行信號(hào)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):

圖:4 差分對(duì)線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>

3.5. 仿真結(jié)果分析

在ADS中可以進(jìn)行信號(hào)的反射仿真、串?dāng)_仿真、眼圖分析。當(dāng)然仿真也分前仿真和后仿真,前仿真在ADS中進(jìn)行,利用SIPro和ADS相結(jié)合進(jìn)行后仿真,設(shè)計(jì)的時(shí)候還需要結(jié)合仿真的結(jié)果實(shí)時(shí)的對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改以達(dá)到符合要求的目的。仿真過(guò)程在此不一一進(jìn)行描述。

差分對(duì)的布線有兩點(diǎn)要注意:一是兩條線的長(zhǎng)度要盡量一樣長(zhǎng),等長(zhǎng)是為了保證兩個(gè)差分信號(hào)時(shí)刻保持相反極性,減少共模分量。另一是兩線的間距(此間距由差分阻抗決定)要一直保持不變,也就是要保持平行。平行的方式有兩種,一為兩條線走在同一走線層(side-by-side),一為兩條線走在上下相鄰兩層(over-under)。一般以前者side-by-side 實(shí)現(xiàn)的方式較多。等距則主要是為了保證兩者差分阻抗一致,減少反射。對(duì)差分對(duì)的布線方式應(yīng)該要適當(dāng)?shù)目拷移叫小Ｋ^適當(dāng)?shù)目拷且驗(yàn)檫@間距會(huì)影響到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是設(shè)計(jì)差分對(duì)的重要參數(shù)。需要平行也是因?yàn)橐３植罘肿杩沟囊恢滦?。若兩線忽遠(yuǎn)忽近,差分阻抗就會(huì)不一致, 就會(huì)影響信號(hào)完整性(signal integrity)及時(shí)間延遲(timing delay)。從仿真的S參數(shù)曲線圖可以分析差分對(duì)的差分阻抗(differential impedance),以及信號(hào)完整性。下面給出信號(hào)仿真波形以及說(shuō)明。

從仿真圖例圖5看到,SDD11在0-10.0GHz 的頻域范圍都符合設(shè)計(jì)的要求,SDD21在SPEC范圍內(nèi)都符合設(shè)計(jì)要求。這也說(shuō)明該差分對(duì)的差分阻抗(differential impedance)符合設(shè)計(jì)指標(biāo),信號(hào)完整性得到了保證。

圖5:差分對(duì)線仿真S參數(shù)曲線

圖6: 眼圖仿真圖

對(duì)比規(guī)范要求,仿真結(jié)果完全能滿足總線和設(shè)計(jì)的要求。

結(jié)論 :通過(guò)以上的仿真分析可知,在PCB的設(shè)計(jì)階段對(duì)于高速信號(hào)的各項(xiàng)要求都能達(dá)到,而經(jīng)過(guò)實(shí)際的PCB生產(chǎn)也證明了該設(shè)計(jì)的正確性,該產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定,完全能達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?可靠性高。

由本文的分析可知,在高速串行信號(hào)的設(shè)計(jì)中,不僅考慮電路設(shè)計(jì),其板圖設(shè)計(jì)和仿真分析也同樣的重要,而且隨著信號(hào)的頻率越來(lái)越大,影響信號(hào)的延時(shí)、串?dāng)_、信號(hào)完整性等的因素越來(lái)越復(fù)雜。同時(shí)控制這些因素的影響也越來(lái)越困難,工程師必須深入的分析布線設(shè)計(jì)、借助精確的模型、有效的仿真和科學(xué)的分析方法,才能給復(fù)雜的高速設(shè)計(jì)以正確的指導(dǎo),減少修正周期確保設(shè)計(jì)成功。

小編注解:本文是鄒麗麗 章世華 董湘麟三位,這是董老他們?cè)?9年發(fā)表的文章,所以有的部分,小編有做改動(dòng)。

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