LVDS信號在PCB上的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

LVDS信號不僅是差分信號，而且還是高速數(shù)字信號。因此LVDS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的完整性。只要我們在布線時(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。下面簡要介紹LVDS信號在PCB上的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：2.1布成多層板有LVDS信號的電路板一般都要布成多層板。由于LVDS信號屬于高速信號，與其相鄰的層應(yīng)為地層，對LVDS信號進(jìn)行屏蔽防止干擾。對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LVDS信號與其它信號分別放在不同的層。例如，在四層板中，通?？梢园匆韵逻M(jìn)行布層：LVDS信號層、地層、電源層、其它信號層。2.2 LVDS信號阻抗計(jì)算與控制。LVDS信號的電壓擺幅只有350mV,適于電流驅(qū)動的差分信號方式工作。為了確保信號在傳輸線當(dāng)中傳播時(shí)不受反射信號的影響，LVDS信號要求傳輸線阻抗受控，通常差分阻抗為100¬+/-10Ω。阻抗控制的好壞直接影響信號完整性及延遲。
如何對其進(jìn)行阻抗控制呢？
（1）確定走線模式、參數(shù)及阻抗計(jì)算。LVDS分外層微帶線差分模式和內(nèi)層帶狀線差分模式。阻抗可以通過合理設(shè)置參數(shù)，利用相關(guān)軟件計(jì)算得出。通過計(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，也就是差分對線間距小于或等于線寬。當(dāng)兩條差分信號線距離很近時(shí)，電流傳輸方向相反，其磁場相互抵消，電場相互耦合，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)樵赑CB板的實(shí)際加工過程中，由于層疊之間的層壓對精確度大大低于同層蝕刻精度，以及層壓過程中的介質(zhì)流失，不能保證差分線的間距等于層間介質(zhì)厚度，會造成層間差分對的差分阻抗變化。
(3)走短線、直線。為確保信號的質(zhì)量，LVDS差分對走線應(yīng)該盡可能地短而直，減少布線中的過孔數(shù)，避免差分對布線太長，出現(xiàn)太多的拐彎，拐彎處盡量用45°或弧線，避免90°拐彎。不同差分線對間處理LVDS對走線方式的選擇沒有限制，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)在不同差分線對之間加地孔隔離以防止相互間的串?dāng)_。LVDS信號盡量遠(yuǎn)離其它信號。LVDS差分信號不可以跨平面分割。盡管兩根差分信號互為回流路徑，跨分割不會割斷信號的回流，但是跨分割部分的傳輸線會因?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LVDS相鄰的地平面）。

圖1：差分對線接收端的匹配電阻的布局。對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。對于點(diǎn)到點(diǎn)的拓?fù)?，走線的阻抗通?？刂圃?00Ω,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％的阻抗不匹配就會產(chǎn)生5％的反射。
三、串行LVDS信號的仿真分析
以上分析了LVDS信號設(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PCB進(jìn)行信號完整行仿真，通過仿真得到信號的串?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)。信號完整性問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)目來說明仿真在本設(shè)計(jì)的實(shí)施過程。
3.1.PCB疊層設(shè)置
由上面的分析知道，PCB板的疊層設(shè)置和信號的耦合以及阻抗計(jì)算都有著密切的關(guān)系，所以在開始PCB設(shè)計(jì)之前必須進(jìn)行疊層設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行信號的阻抗計(jì)算。在本設(shè)計(jì)中的疊層設(shè)計(jì)見下圖：

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)過合理的安排疊層厚度，通過allegro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。
3.2.設(shè)置直流電壓值
這一步驟主要是為某些特定的網(wǎng)絡(luò)（一般是電源地等）指定其直流電壓值，確定DC電壓加在網(wǎng)絡(luò)上，執(zhí)行EMI仿真需要確定一個(gè)或多個(gè)電壓源管腳，這些電壓值包涵了模型在仿真過程中使用的參考電壓信息。
3.3.器件設(shè)置
在allegro仿真的時(shí)候allegro會把器件分成三大類：IC、連接器和分立器件（電阻電容等），allegro會依據(jù)器件類型來給器件的管腳分配仿真屬性，分立器件和連接器的管腳屬性為UPSPEC，而IC的管腳屬性可以為IN、OUT和BI等。
3.4.模型分配
在板級高速PCB仿真過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。在高速串行信號中，我們采用的是精度更高的SPICE模型來進(jìn)行仿真分析。傳輸線模型則是通過仿真軟件建模形成的。信號在傳輸時(shí)，傳輸線會使得信號完整性問題突出，因此仿真軟件對傳輸線精確建模的能力直接影響仿真結(jié)果。

圖3：差分對線模型b:帶狀線 c: 微帶線而信號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數(shù)個(gè)短線段組成，短線段的長度趨于零。 關(guān)于傳輸線的模型是allegro自動分配的。仿真的時(shí)候主要是分配器件模型。
3.5.SI檢查
SI Audit功能是用來檢查某一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)或者一群網(wǎng)絡(luò)是否能夠被提取出來進(jìn)行分析，一般就是設(shè)置我們需要關(guān)注的高速網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計(jì)主要關(guān)注LVDS串行信號。
3.6.提取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />從PCB中提取待關(guān)注信號的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般包括驅(qū)動端和接收端，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)過那些路徑，那些會對信號的傳輸造成影響。本文僅以其中一個(gè)信號的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D為例：如圖4所示：

圖4 差分對線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?

3.7.查看波形
以上的相關(guān)步驟設(shè)置好以后就可以進(jìn)行仿真了，allegro可以進(jìn)行信號的反射仿真、串?dāng)_仿真，差分線還要進(jìn)行眼圖分析。當(dāng)然仿真也分前仿真和后仿真，在利用allegro進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候還需要結(jié)合仿真的結(jié)果實(shí)時(shí)的對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改以達(dá)到符合要求的目的。由于仿真過程復(fù)雜，步驟繁瑣，在此不一一進(jìn)行描述， 差分對的布線有兩點(diǎn)要注意，一是兩條線的長度要盡量一樣長，等長是為了保證兩個(gè)差分信號時(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。對差分對的布線方式應(yīng)該要適當(dāng)?shù)目拷移叫?。所謂適當(dāng)?shù)目拷且驗(yàn)檫@間距會影響到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是設(shè)計(jì)差分對的重要參數(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, 差分阻抗就會不一致, 就會影響信號完整性(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的差分阻抗(differential impedance)，以及信號完整性。下面給出本設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵信號仿真波形以供加以說明。 從仿真圖例圖5看到，S11在0-3.0GHz 的頻域范圍內(nèi)其最劣化的指標(biāo)為：-16.770db以下 ,S22（粉紅色的曲線）也不劣于-17db。 這說明該差分對的差分阻抗(differential impedance)接近設(shè)計(jì)指標(biāo)，信號完整性得到了保證。

圖5：差分對線仿真S參數(shù)曲線

圖6:差分對IN，OUT的HSPICE仿真圖 通過差分對IN，OUT的HSPICE仿真，圖6顯示的結(jié)果：差分對線的對稱良好。結(jié)論 通過以上的仿真分析可知，在PCB的設(shè)計(jì)階段對于高速LVDS信號的各項(xiàng)要求都能達(dá)到，而經(jīng)過實(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PCI-express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，而且隨著信號的頻率越來越大，影響信號的延時(shí)、串?dāng)_、信號完整性等的因素越來越復(fù)雜。同時(shí)控制這些因素的影響也越來越困難，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。