最近，硅谷有一定著名的公司，我們稱之為NEWCO公司，曾經(jīng)制造了他們的第一臺調(diào)整處理機的巨大原型機。他們決定使用點對點布線，以避免制作印刷電路板的費用和時間。原型機是在16IN/20IN的電路板上通過導線繞接技術而構建的。這一個原型機包含600多個門電路和2000個不同的信號網(wǎng)絡。下面是有關信號網(wǎng)絡的一些計數(shù)據(jù)：
網(wǎng)絡的數(shù)目：2000
網(wǎng)絡的平均長度：40IN（未端接的）
引線在接地平面上方的平均高度：0.2IN
線徑（AWG30）：0.01IN直徑
信號上升時間：2.0NS
轉折頻率：250MHZ（=0.5/2.0NS）
1、點對點布線的信號畸變
在NEWCO的設計中，上升時間為2.0NS，其電氣長度為：
區(qū)分集總系統(tǒng)和分布系統(tǒng)的臨界尺寸是：1/6=3.9IN
NEWCO認為，因為導線的平均長度基本上在這一界限之內(nèi)，所以電路只會有很少的振鈴。但是他們錯了。
NEWCO認識到，當電路大于1/6時，將表現(xiàn)分布狀態(tài)，他們知道，分布電路如果不端接，就會振鈴。因為他們的電路是集總的，所以錯誤地認為不會振鈴。
集總參數(shù)電路可能振鈴，也可能不振鈴，這取決于電路的Q值。電路的Q值顯示出電路中信號衰減消逝的快慢。在低Q值電路中，信號衰減得很快，而在高Q值電路中，信號卻來回振蕩，經(jīng)過幾個振鈴周期后才慢慢地消逝。Q值在技術上被定義為總存儲能量與每個振蕩周期所衰耗能量之比。從這個定義引出一個近似公式，將特定電路的最大過沖電壓用Q值的一個函數(shù)來表示：
其中，V過沖=超出穩(wěn)態(tài)輸出電平的輸出上升量，V
V階躍=預期的穩(wěn)態(tài)電平，V
Q=諧振參數(shù)（這里假設﹥0.5）
圖4.1中的理想二階電路以時間常數(shù)2L/R衰減，完全符合上式。
根據(jù)經(jīng)驗，在一個理想階躍的輸入響應中，Q值為1的數(shù)字電路顯示出16%的過沖，Q值為2的數(shù)字電路則顯示出44%的過沖。任何Q值低于1/2的電路都不會過沖或振鈴。一個電路上產(chǎn)生的振鈴是電路本身的固有諧振頻率和驅(qū)動器上升時間之間關系的一個函數(shù)。我們也將研究這個問題。
一旦我們知道了電路的電感，計算一個數(shù)字電路的Q值是很容易的。這提示我們關注點對點布線的基本問題：高電感。
當一個高電感引線工作于大電容負載的情況下時，會形成一個高Q值的電路。
我們可以采用附錄C中列出的關于一個位于接地平面之上的圓柱體導線計算公式，來算出NEWCO系統(tǒng)中一個典型網(wǎng)絡的電感L：
其中：L=回路電感，H
D=繞接線的直徑，0.01IN
H=線路在接地平面上的高度，0.2IN
X=線的長度，4IN
采用式（），可以計算出由驅(qū)動的源端電阻、導線的串聯(lián)電感和接收器的負載電容組成的RLC電路的Q值：
R=30歐（一個TTL驅(qū)動器的輸出電阻）
L=89NH（平均接線電感）
C=15PF（典型負載）
Q值為2.6意味著，對于一個理想的階躍輸入，將得到不小的振鈴。由式（），預期最壞情況的過沖電壓為：
V階躍=3.7V（TTL階躍輸出）
Q=2.6（來自上式）
只有當NEWCO的邏輯驅(qū)動器在振鈴頻率以上傳輸有效能量時，這個最壞情況的過沖才會發(fā)生。采用下式可以找出振鈴頻率：
頻譜寬度的衡量標準是轉折頻率，按照式（）的定義，NEWCO的邏輯門電路轉折頻率（250MHZ）遠遠高于振鈴頻率（138MHZ），因而存在大量的電能，可以引起振鈴過程。轉折頻率如果正好等于138MHZ，振鈴就將減小大約一半。轉折頻率更低的邏輯門電路產(chǎn)生的振鈴還會更小。
如果完全在時域中考慮，我們可以斷定，當上升時間等于振鈴周期的一半時，最壞情況下的振鈴被減少一半。上升時間越長，引起的振鈴越小。相反，當上升時間遠遠小于振鈴周期的一半時，將引起最壞情況下的振鈴。
我們可以從Q值分析中發(fā)現(xiàn)更多的論據(jù)。我們知道，NEWCO的電路一般在138MHZ頻率振鈴，最大過沖為2.0V。根據(jù)線性電路理論可以知道，最壞的過沖總是發(fā)生在階躍邊沿后振鈴周期的二分之一處，因此，能預知最大過沖將會發(fā)生在每個邏輯轉換后的3.6NS處。
2、點對點布線的EMI
EMI代表電磁干擾。開放電流的環(huán)路，比如在導線繞接產(chǎn)品中，將會立刻被標上大大的戲色EMI警示。傳輸快速變化電流的大電流環(huán)路會產(chǎn)生瞬變的磁場。來自這些環(huán)路的磁場直接輻射到FCC技術人員的檢測天線中，他們將拒絕給你的數(shù)字產(chǎn)品頒發(fā)合格證明。
傳輸線極大地減少了EMI。它通過限制信號返回電流的流動路徑來達到這一目的。對于普通的導線，電流從一個邏輯驅(qū)動器的信號線流出，然后以某種方式沿著電源返回。這兩個路徑之間的距離，或者說它們之間的總環(huán)路面積，也許是幾個平方英寸。依照FCC測試規(guī)程，由此而產(chǎn)生的磁場直接與信號電流環(huán)路的總面積成正比。
傳輸線結構保證了信號返回電流緊貼著信號輸出路徑。產(chǎn)生的實現(xiàn)電流環(huán)路面積非常小，由輸出和返回電流路徑產(chǎn)生的磁場相互抵消，極大地減少了EMI問題。
參考圖4.2，一個印刷電路板上的信號走線位于完整接地平面上方0.005IN處，其電流環(huán)路面積比位于接地平而上方0.2IN的開放導線小40倍。對于相同的信號上升時間，這樣一個印刷電路板的每條走線輻射的電磁能量比NEWCO原型機的每條導線小32DB。
3、點對點布線中的串擾
如圖4.3所示，由于變化磁場的作用而產(chǎn)生串擾。由流經(jīng)環(huán)路A的電流產(chǎn)生的一些磁力線穿過了環(huán)路B。因此，環(huán)路A中的電流變化改變了由環(huán)路B所包圍的磁能量。環(huán)路B中磁能量的變化感應產(chǎn)生了環(huán)路B上的噪聲電壓，稱為串擾。環(huán)路A的電流變化與環(huán)路B的電壓成比例，其比例常數(shù)稱為環(huán)路A和B之間的互感，用符號LM表示。
在調(diào)整條件下的導線繞接系統(tǒng)中，患擾是一個主要的問題。讓我們來計算NEWCO會有多大的串擾。假設有兩個相鄰的環(huán)路，每個4IN長。0.2IN高，平行間距0.1IN。
可以用上式中的電感值作為傳輸導線的電感。
H=0.2（距地平面的高度）
S=0.1（兩線之間的距離）
L=89NH（一條導線的電感）
其中，LM=兩線之間的互感
這一數(shù)值與單個網(wǎng)絡的自感相當。這就是說，兩個網(wǎng)絡將會高度地耦合，預計會出現(xiàn)大量的串擾。
串擾計算的下一步是找出驅(qū)動環(huán)路的最大DI/DT，并乘互感值得到串擾電壓值。在此，我們最好的推測是負載電容上接收信號的實際上升時間是3.6NS（這是最大過沖所需的時間）。把這個數(shù)值代入到下式：
計算得出串擾為12%（0.46V）
你感到驚訝嗎？僅4IN的相鄰導線就產(chǎn)生了460MV的串擾。在0.1IN的半徑內(nèi)，一個好的技術人員能輕易地將10或20根導線綁在一起。來自每根導線的串擾會線性地疊加。來自10根鄰近導線的串擾將達到50%，足以引起嚴重的差錯。
在構造高速總線時，采用大捆的平行導線從一處連到另一處的做法是很可怕的，技術人員為了能看到清楚寫在每個芯片背面的引腳號，他們喜歡把芯片之間的導線歸擾到一起，這個習慣使串擾問題更加惡化。直接的對點對點邊線，把導線下壓，以盡可能地貼近接地平面，比集中或捆綁導線要好得多。
當項目終止的時候，NEWCO放棄了它的原型機，甚至從來沒有讓它完全運行過來，他們浪費了好幾個星期的寶貴設計時間，而且沒能在印刷電路布局之前驗證設計中的關鍵問題。
下載文檔
