硬件開(kāi)發(fā)
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數(shù)字電路PCB設(shè)計(jì)
基于SI的數(shù)字電路PCB高速設(shè)計(jì)
近幾年來(lái),隨著集成電路工藝技術(shù)的飛速發(fā)展,使得其工作的速度越來(lái)越高。這樣就帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題,體積減小使得電路的布局布線密度變大,集成電路輸出開(kāi)關(guān)速度變快,而同時(shí)信號(hào)工作頻率不斷提高,因此如何處理高速信號(hào),保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能成為一個(gè)設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵因素。
隨著電子系統(tǒng)時(shí)鐘頻率迅速提高,信號(hào)邊沿不斷變陡,印刷電路板的線跡互連和板層特性對(duì)系統(tǒng)電氣性能的影響也越發(fā)重要。對(duì)于低頻設(shè)計(jì),線跡互連和板層的影響可以不考慮。而當(dāng)系統(tǒng)工作頻率超過(guò)50MHz時(shí),一方面互連關(guān)系必須考慮傳輸線的影響,另一方面評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能也應(yīng)考慮印刷電路板板材的電參數(shù)。因此,高速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須面對(duì)互連延遲引起的時(shí)序問(wèn)題以及串?dāng)_、傳輸線效應(yīng)等信號(hào)完整性(信號(hào)質(zhì)量)問(wèn)題。如何在系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及極板設(shè)計(jì)中考慮到信號(hào)完整性的因素,并采取有效的控制措施,已經(jīng)成為當(dāng)今系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師和PCB設(shè)計(jì)業(yè)界中的一個(gè)熱門課題。
一、確保PCB板信號(hào)完整性的方法
1.1隔離
PCB板上的器件有各種邊值(edgerates)和各種容性噪聲。最直接的提高信號(hào)完整性的方法是根據(jù)它們不同的邊值和靈敏度,將它們?cè)赑CB上物理地隔離開(kāi)來(lái)。
1.2阻抗、反射和終端負(fù)載
阻抗控制和終端負(fù)載是高速設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)問(wèn)題。在每個(gè)射頻電路設(shè)計(jì)中也是個(gè)核心問(wèn)題。然而一些數(shù)字電路運(yùn)行的頻率超過(guò)了射頻電路,在設(shè)計(jì)中仍然沒(méi)有考慮阻抗和終端負(fù)載,阻抗失配會(huì)對(duì)數(shù)字電路產(chǎn)生以下致命影響:
(1)數(shù)字信號(hào)將會(huì)在接受設(shè)備輸入端和發(fā)射設(shè)備輸出端間造成反射,反射信號(hào)被彈回并沿著線的兩端傳播直到最后被完全吸收；
(2)反射信號(hào)造成信號(hào)通過(guò)傳輸線的振鈴效應(yīng),振鈴將影響電壓和信號(hào)時(shí)延甚至信號(hào)的完全惡化；
(3)失配信號(hào)路徑可能導(dǎo)致信號(hào)對(duì)環(huán)境的輻射；阻抗不匹配所引發(fā)的問(wèn)題可以通過(guò)終端負(fù)載來(lái)減小。通常在靠近接收器的信號(hào)線上放置一個(gè)或兩個(gè)分離的終端負(fù)載,簡(jiǎn)單的做法是串接低值的排阻。終端負(fù)載限制信號(hào)的上升時(shí)間并能部分地吸收反射能量。值得注意的是終端負(fù)載并不能完全消除由于阻抗不匹配所引起的破壞性的影響。然而仔細(xì)地挑選合適的器件,終端負(fù)載可以有效地控制信號(hào)的完整性。并不是所有的布線都需要阻抗控制,這要由設(shè)計(jì)者來(lái)決定是否進(jìn)行匹配。各種應(yīng)用中規(guī)則是多種多樣的,但一般會(huì)遵循布線長(zhǎng)度和信號(hào)的上升時(shí)間之間的規(guī)則,即通用的對(duì)阻抗控制規(guī)則是布線長(zhǎng)度大于上升時(shí)間的1/6時(shí),必須進(jìn)行阻抗匹配。
1.3層面和層面分割
經(jīng)常被數(shù)字設(shè)計(jì)者忽略的一個(gè)問(wèn)題是回路的電流傳播。舉例來(lái)說(shuō),假設(shè)一個(gè)單向信號(hào)在兩個(gè)門之間傳輸(如圖2所示),電流會(huì)在門A到門B的回路中傳播,然后通過(guò)地線連接端回到門A.,這里存在兩個(gè)潛在的問(wèn)題:
(1)接地應(yīng)靠一個(gè)低阻抗值的路徑來(lái)接。如果是用一個(gè)高阻抗值的路徑,那么在圖2的接地管腳就會(huì)有壓降,這將會(huì)破壞所有器件對(duì)地的參考和降低輸入噪聲容限；
(2)電流回路所造成的回路面積盡可能小?；芈肪拖喈?dāng)于天線,通常來(lái)講,大的回路面積會(huì)增加回路輻射和導(dǎo)電的機(jī)會(huì),每個(gè)PCB的設(shè)計(jì)者都希望返回的電流直接沿著信號(hào)線,這樣可以得到最小的回路面積；
用大面積地線層可以同時(shí)解決上面的的問(wèn)題。大面積接地在所有的接地點(diǎn)之間提供低阻抗,同時(shí)允許回路電流直接通過(guò)各自的信號(hào)路徑傳輸。
PCB設(shè)計(jì)者一個(gè)常犯的錯(cuò)誤是在地線層開(kāi)槽(如圖3a所示)。圖3(a)顯示的是當(dāng)信號(hào)線繞過(guò)地線層的開(kāi)槽時(shí)的電流流向?；芈冯娏鲗⒈黄壤@過(guò)開(kāi)槽,這就必然會(huì)產(chǎn)生大的環(huán)流回路。圖3(b)顯示的是地線層沒(méi)有開(kāi)槽時(shí)的電流流向。通常來(lái)講,地線層不能開(kāi)槽。然而也存在開(kāi)槽無(wú)法避免的情況,當(dāng)發(fā)生時(shí),PCB的設(shè)計(jì)者必須保證沒(méi)有任何信號(hào)路徑經(jīng)過(guò)開(kāi)槽部分。
在帶有鏡像差異的電源層中也應(yīng)注意層面間區(qū)域的面積,PCB的電源層和地線層在板子的邊緣有輻射。從邊緣輻射出來(lái)的電磁能量可能破壞臨近的連接板。解決的辦法是縮小電源層,使其與地線層交疊一段固定的距離。這樣可以減小板外部直接區(qū)域的電磁輻射能量值,而且降低了電磁泄漏對(duì)鄰近板的影響。
1.4信號(hào)布線
保證信號(hào)完整性最重要的就是信號(hào)線的物理布線。高速信號(hào)在不連續(xù)的信號(hào)線中不能傳播。圖4(a)所示的右轉(zhuǎn)角是通常比較容易犯的有問(wèn)題的布線方法,這樣的布線在低頻率下沒(méi)有問(wèn)題,如果在高頻下就會(huì)輻射。要用圖4(b)一個(gè)45o或圖4(c)兩個(gè)45度的轉(zhuǎn)角來(lái)替代。
在高速電路設(shè)計(jì)中,對(duì)信號(hào)布線如果沒(méi)有特別的原因,應(yīng)該盡可能消除所有的短接線,短接線就如同由于信號(hào)線的阻抗失配而引發(fā)的輻射一樣。另外在高速電路設(shè)計(jì)的布線中特別需要注意差分對(duì)的布線。差分對(duì)是通過(guò)兩條完全互補(bǔ)信號(hào)線驅(qū)動(dòng)的,差分對(duì)可以很好地避免噪聲干擾和改進(jìn)S/N率。然而差分對(duì)信號(hào)線對(duì)布線有特別高的要求:(1)兩條線必須盡可能靠近布線；(2)兩條線必須長(zhǎng)度完全一致；
1.5克服串?dāng)_
在PCB設(shè)計(jì)中,串?dāng)_問(wèn)題是另一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題當(dāng)信號(hào)線間的間隔太小時(shí),信號(hào)線間的電磁區(qū)將相互影響,從而導(dǎo)致信號(hào)的惡化,形成串?dāng)_。
串?dāng)_可以通過(guò)增加信號(hào)線的間距解決。然而,PCB設(shè)計(jì)者通常受制于日益緊縮的布線空間和狹窄的信號(hào)線間距,由于在設(shè)計(jì)中沒(méi)有更多的選擇,從而不可避免地在設(shè)計(jì)中引入一些串?dāng)_問(wèn)題。文獻(xiàn)中給出了許多可靠間距的相關(guān)規(guī)則,常用規(guī)則是3W規(guī)則,即相鄰信號(hào)線間距至少應(yīng)為信號(hào)線寬度的3倍。然而,實(shí)際中可接受的信號(hào)線間距依賴于實(shí)際的應(yīng)用、工作環(huán)境及設(shè)計(jì)冗余等因素。因此,當(dāng)串?dāng)_問(wèn)題不可避免時(shí),就應(yīng)該對(duì)串?dāng)_定量化,設(shè)計(jì)者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真決定信號(hào)完整性效果和評(píng)估系統(tǒng)的串?dāng)_影響效果。
結(jié)論
信號(hào)完整性是貫穿于高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中最重要的問(wèn)題之一,在此列出幾種在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中保證信號(hào)完整性的方法:(1)對(duì)靈敏元件實(shí)施與噪聲器件的物理隔離；(2)阻抗控制、反射和信號(hào)終端匹配；(3)用連續(xù)的電源和地平面層；(4)布線中盡量避免采用直角；(5)差分對(duì)布線長(zhǎng)度相等；(6)高速電路設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮串?dāng)_問(wèn)題；(7)電源進(jìn)行退耦處理。
在PCB板的設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到信號(hào)完整性的因素,并采取有效的控制措施,從而可以設(shè)計(jì)出安全可靠的高速電路。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):信號(hào)完整性(SI)問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今PCB設(shè)計(jì)業(yè)界中一個(gè)新的熱門課題。本文闡述了高速PCB電路設(shè)計(jì)中的典型信號(hào)完整性問(wèn)題.描述了信號(hào)完整性問(wèn)題的表現(xiàn)形式,著重分析了影響信號(hào)完整性的幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題——串?dāng)_,電磁干擾和反射等。并有針對(duì)性地提出了解決問(wèn)題的具體方案。在電路設(shè)計(jì)中,采取相應(yīng)的措施能有效地提高信號(hào)完整性。
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