基于PADS軟件對(duì)高速電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電子技術(shù)的飛速發(fā)展變化給板級(jí)設(shè)計(jì)帶來(lái)許多新問(wèn)題和新挑戰(zhàn)。首先，由于高密度引腳及引腳尺寸日趨物理極限，導(dǎo)致電路極低的布通率;其次，由于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的提高，引起的時(shí)序及信號(hào)完整性問(wèn)題;高速數(shù)字電路(即高時(shí)鐘頻率及快速邊沿速率)的設(shè)計(jì)將成為主流。

PADS(PeroonaI Automated Design Systems，個(gè)人自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng))Logic9.0是一個(gè)功能強(qiáng)大、多頁(yè)的原理圖設(shè)計(jì)輸入工具，具有在每頁(yè)進(jìn)行快速存取、在線元件編輯、庫(kù)管理方便簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，所有這些都為PADS Layout提供了高效的電路板設(shè)計(jì)環(huán)境，提高了由原理圖設(shè)計(jì)鏈接到PCB制版的轉(zhuǎn)化效率。PADS Layout9.0是一個(gè)復(fù)雜的、高速印制電路板設(shè)計(jì)軟件。它具有快速交互布線編輯器(FIRE).它的這一功能在眾多的交互布線模式中獨(dú)樹(shù)一幟，由于FIRE采用強(qiáng)大功能的算法，布線完成后很少需要用戶修改調(diào)整，可以使用戶在布線時(shí)節(jié)省大量時(shí)間，提高效率。對(duì)表貼元件等細(xì)小焊盤(pán)間距、對(duì)高速布線的約束條件設(shè)定、對(duì)圖形用戶界面的定制等方面功能，PADS Layout9.0軟件都是無(wú)可挑剔的。由于PADS Logic9.0和PADS Layout9.0兩軟件運(yùn)行速度快，加之功能強(qiáng)大，有些簡(jiǎn)單的操作可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能、快捷鍵方便、視窗寬等優(yōu)點(diǎn)。

PADS軟件好用，易上手，是現(xiàn)在市場(chǎng)上使用范圍最廣的一款EDA軟件，適合大多數(shù)中小型企業(yè)的需求;而且高端軟件(如Cadence allegro)能實(shí)現(xiàn)的功能PADS軟件也都能實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)多年的EDA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，我認(rèn)為利用PADS軟件中的差分和等長(zhǎng)走線等功能實(shí)現(xiàn)高速電路布線是一個(gè)很好的選擇。下面，就以Hi3511器件組合為例進(jìn)行具體介紹。

1 板層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

板層的結(jié)構(gòu)是決定系統(tǒng)的EMC性能一個(gè)很重要的因素。一個(gè)好的板層結(jié)構(gòu)對(duì)抑制PCB中輻射起到良好的效果?，F(xiàn)在常見(jiàn)的高速電路系統(tǒng)中大多采用多層板而不是單面板和雙面板，板層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

1)一個(gè)信號(hào)層應(yīng)該和一個(gè)敷銅層相鄰。

2)信號(hào)層應(yīng)該和臨近的敷銅層緊密耦合(即信號(hào)層和臨近敷銅層之間的介質(zhì)厚度很小)。

3)電源敷銅和地敷銅應(yīng)該緊密耦。

4)系統(tǒng)中的高速信號(hào)應(yīng)該在內(nèi)層且在兩個(gè)敷銅之間，這樣兩個(gè)敷銅可以為這些高速信號(hào)提供屏蔽作用且將這些信號(hào)的輻射限制在兩個(gè)敷銅區(qū)域。

5)多個(gè)地敷銅層可以有效的減小PCB板的阻抗，減小共模EMI。

要滿足以上要求，推薦使用8層板的設(shè)計(jì)，其層疊結(jié)構(gòu)如下：

①TOP層：信號(hào)層(器件層)

②第二層：地平面層

③第三層：信號(hào)層

④第四層：地平面層

⑤第五層：電源平面層

⑥第六層：信號(hào)層

⑦第七層：地平面層

⑧BOTTOM層：信號(hào)層(器件層)

但考慮到成本因素，我們將Hi3511模塊電路的板層定義為6層，其層疊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 板層結(jié)構(gòu)

2 元器件的布局

元器件布局是制作PCB的重要環(huán)節(jié)，布局是否合理直接影響電路的性能，在布局時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

1)先確定與結(jié)構(gòu)關(guān)系密切的元件位置，如定位孔、連接器等。

2)遵照“先大后小，先難后易”的布局原則，先擺放核心器件或者是較的的器件，再以其為中心擺放周圍的電路元器件。例：先確定Hi3511的放置位置，再將其周圍的元器件按電路關(guān)系擺放的合適位置。

3)布局時(shí)應(yīng)將高電壓、大電流信號(hào)與低電壓、小電流信號(hào)分開(kāi);數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)分開(kāi);高頻信號(hào)與低頻信號(hào)分開(kāi)。

4)接口芯片盡量靠近變壓器或連接器。

5)時(shí)鐘電路連線盡量短，并遠(yuǎn)離敏感電路。

6)濾波電容放置距離電源管腳越近越好。例：DDR2 SDRAM的每一個(gè)電源管腳旁邊都加了至少一個(gè)去耦電容，如圖2所示。

圖2 去耦電容排列

7)源端的串聯(lián)端接盡量靠近源端放置，并行端接盡量靠近接收端。例：如圖3所示是Hi3511與DDR2_CLKOP、DDR2_CLKON的端接匹配結(jié)構(gòu)，由圖可知，33Ω的串聯(lián)匹配應(yīng)該盡量靠近Hi3511端而100Ω的并聯(lián)差分匹配電阻應(yīng)盡量靠近DDR2端。

圖3 Hi3511與DDR2_CLKOP，DDR2_CLKON的端接匹配結(jié)構(gòu)

3 布線

PCB布線是EDA設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)能否正常有效工作的關(guān)鍵因素。下面簡(jiǎn)單介紹一下PCB布線中要注意的一些問(wèn)題。

1)阻抗控制

阻抗控制的PCB板是指PCB板上所有網(wǎng)絡(luò)的阻抗都控制在一定的范圍以內(nèi)，如20～75Ω。

在Hi3511模塊中，希望我們把走線的特性阻抗控制在50Ω，差分走線的特性阻抗控制在100Ω，通過(guò)對(duì)疊層的分析，在PADS軟件中將普通走線線寬定義在5mil，最小間距為5mil，單獨(dú)定義幾個(gè)差分對(duì)走線寬度為4mil，間距10mil，這樣畫(huà)出的PCB圖基本能滿足阻抗控制要求。

2)走線間距的大小。一般常用到的間距為兩倍線寬?？梢酝高^(guò)仿真來(lái)知道走線間距對(duì)時(shí)序及信號(hào)完整性的影響，找出可容忍的最小間距。不同芯片信號(hào)的結(jié)果可能不同。

3)走線的規(guī)則設(shè)定等級(jí)

①在PADS軟件中可以對(duì)不同的走線進(jìn)行不同的規(guī)則設(shè)置。如普通信號(hào)線我們進(jìn)行常規(guī)設(shè)置，如圖4所示，只規(guī)定線寬間距等。在布線過(guò)程中也主要遵循一般的原則就好。如：走線盡量短，盡量走直線或135°角的折線，電源和地引線盡量短、盡量粗等。

圖4 走線的規(guī)則設(shè)定

②可以將需要等長(zhǎng)走線的網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)行分組，在布線過(guò)程中，應(yīng)采用分組布線的方法。先連通一組中的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，然后查詢網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度，從中找到最長(zhǎng)的一個(gè)作為參考，定義本組網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度，如圖5所示。本組中其余網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行蛇行走線，并調(diào)整其長(zhǎng)度，以達(dá)到規(guī)定要求。

圖5 等長(zhǎng)走線的設(shè)置

③對(duì)于差分信號(hào)，應(yīng)盡量不打孔走在靠近地平面的內(nèi)層，并需要單獨(dú)設(shè)定線寬和間距，如圖6所示。在走線的時(shí)候要注意盡量短，且兩根線要嚴(yán)格等長(zhǎng)。

圖6 差分信號(hào)設(shè)置

4)布線步驟

①先布地線(電源線)：我們可以從元器件的接地(電源)管腳直接引線出來(lái)就近打孔和地(電源)層相連，并且連線盡可能的短且粗。

②綜合信號(hào)的優(yōu)先級(jí)別(如時(shí)鐘信號(hào)、差分線、等長(zhǎng)線等)和布線密度情況選擇選擇布線的優(yōu)先順序。再按相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行布線。

如在Hi3511模塊中，連線最多，要求最復(fù)雜的就是與DDR2 SDRAM之間的連接，硬件設(shè)計(jì)指南中建議將數(shù)據(jù)信號(hào)、地址信號(hào)、控制信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)等所有線的長(zhǎng)度相等，則效果達(dá)到最優(yōu)，偏差范圍為±50mil.并建議時(shí)鐘信號(hào)的走線長(zhǎng)度小于4.5英寸。我們將數(shù)據(jù)信號(hào)、地址信號(hào)、控制信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)分成不同的組，進(jìn)行分組布線。從布局圖中我們可以看出數(shù)據(jù)信號(hào)是所有信號(hào)線中路徑最長(zhǎng)的。故此，我們先對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行布線，采用蛇行走線使數(shù)據(jù)線達(dá)到等長(zhǎng)，其走線偏差控制在20mil中。經(jīng)測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際布線長(zhǎng)度為3430±20mil，滿足時(shí)鐘信號(hào)的走線長(zhǎng)度的要求，故將此長(zhǎng)度作為地址信號(hào)、控制信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)等線的長(zhǎng)度依據(jù)，將其它信號(hào)進(jìn)行分組蛇行走線，以滿足長(zhǎng)度要求。在這里還要注意每組信號(hào)線與其他走線之間的間距要大于20mil。時(shí)鐘等重要信號(hào)要盡量走到第三層，并用地進(jìn)行隔離。布線結(jié)果如圖7所示。

圖7 布線結(jié)果

4 電源分割

現(xiàn)在系統(tǒng)的工作電源多為多個(gè)電源，那么在實(shí)際的操作中就需要研究電源層的分割問(wèn)題。

1)電源分割過(guò)程中即要保證同一組電源包圍在一起又要注意不要跨信號(hào)線進(jìn)行分割。即要保證信號(hào)有良好的回流路徑。

2)電源層比地層內(nèi)縮20H，H為電源層與地層之間的距離。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)Hi3511模塊的PCB設(shè)計(jì)實(shí)踐，充分說(shuō)明了，只要我們掌握了高速電路設(shè)計(jì)的基本規(guī)則和技巧，結(jié)合PADS軟件對(duì)布局布線進(jìn)行的各種規(guī)則約定，并使用差分和等長(zhǎng)走線等各種強(qiáng)大的功能，進(jìn)行高速電路設(shè)計(jì)是一個(gè)很好的選擇。