確保信號(hào)完整性的電路板設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

確保信號(hào)完整性的電路板設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

作者 John Powell 網(wǎng)友Blackmouse整理

信號(hào)完整性 (SI) 問(wèn)題解決得越早,設(shè)計(jì)的效率就越高,從而可避免在電路板設(shè)計(jì)完成之后才增加端接器件。 SI 設(shè)計(jì)規(guī)劃的工具和資源不少,本文探索信號(hào)完整性的核心議題以及解決 SI 問(wèn)題的幾種方法,在此忽略設(shè)計(jì)過(guò)程的技術(shù)細(xì)節(jié)。 
1 、 SI 問(wèn)題的提出   

　　隨著 IC 輸出開(kāi)關(guān)速度的提高,不管信號(hào)周期如何,幾乎所有設(shè)計(jì)都遇到了信號(hào)完整性問(wèn)題。即使過(guò)去你沒(méi)有遇到 SI 問(wèn)題,但是隨著電路工作頻率的提高,今后一定會(huì)遇到信號(hào)完整性問(wèn)題。   

　　信號(hào)完整性問(wèn)題主要指信號(hào)的過(guò)沖和阻尼振蕩現(xiàn)象,它們主要是 IC 驅(qū)動(dòng)幅度和跳變時(shí)間的函數(shù)。也就是說(shuō),即使布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有變化,只要芯片速度變得足夠快,現(xiàn)有設(shè)計(jì)也將處于臨界狀態(tài)或者停止工作。我們用兩個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明信號(hào)完整性設(shè)計(jì)是不可避免的。   

　　實(shí)例之一︰在通信領(lǐng)域,前沿的電信公司正為語(yǔ)音和數(shù)據(jù)交換生產(chǎn)高速電路板 ( 高于 500MHz) ,此時(shí)成本并不特別重要,因而可以盡量采用多層板。這樣的電路板可以實(shí)現(xiàn)充分接地并容易構(gòu)成電源回路,也可以根據(jù)需要采用大量離散的端接器件,但是設(shè)計(jì)必須正確,不能處于臨界狀態(tài)。   

　　SI 和 EMC 專家在布線之前要進(jìn)行仿真和計(jì)算,然后,電路板設(shè)計(jì)就可以遵循一系列非常嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則,在有疑問(wèn)的地方,可以增加端接器件,從而獲得盡可能多的 SI 安全裕量。電路板實(shí)際工作過(guò)程中,總會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題,為此,通過(guò)采用可控阻抗端接線,可以避免出現(xiàn) SI 問(wèn)題。簡(jiǎn)而言之,超標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)可以解決 SI 問(wèn)題。   

　　實(shí)例之二︰從成本上考慮,電路板通常限制在四層以內(nèi) ( 里面兩層分別是電源層和接地層 ) 。這極大限制了阻抗控制的作用。此外,布線層少將加劇串?dāng)_,同時(shí)信號(hào)線間距還必須最小以布放更多的印制線。另一方面,設(shè)計(jì)工程師必須采用最新和最好的 CPU 、內(nèi)存和視頻總線設(shè)計(jì),這些設(shè)計(jì)就必須考慮  SI 問(wèn)題。

關(guān)于布線、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和端接方式,工程師通?？梢詮?CPU 制造商那里獲得大量建議,然而,這些設(shè)計(jì)指南還有必要與制造過(guò)程結(jié)合起來(lái)。在很大程度上,電路板設(shè)計(jì)師的工作比電信設(shè)計(jì)師的工作要困難,因?yàn)樵黾幼杩箍刂坪投私悠骷目臻g很小。此時(shí)要充分研究并解決那些不完整的信號(hào),同時(shí)確保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)期限。

下面介紹設(shè)計(jì)過(guò)程通用的 SI 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

2 、設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作

在設(shè)計(jì)開(kāi)始之前,必須先行思考并確定設(shè)計(jì)策略,這樣才能指導(dǎo)諸如元器件的選擇、工藝選擇和電路板生產(chǎn)成本控制等工作。就 SI 而言,要預(yù)先進(jìn)行調(diào)研以形成規(guī)劃或者設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,從而確保設(shè)計(jì)結(jié)果不出現(xiàn)明顯的 SI 問(wèn)題、串?dāng)_或者時(shí)序問(wèn)題。有些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可以由 IC 制造商提供,然而,芯片供貨商提供的準(zhǔn)則 ( 或者你自己設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則 ) 存在一定的局限性,按照這樣的準(zhǔn)則可能根本設(shè)計(jì)不了滿足 SI 要求的電路板。如果設(shè)計(jì)規(guī)則很容易,也就不需要設(shè)計(jì)工程師了。

在實(shí)際布線之前,首先要解決下列問(wèn)題,在多數(shù)情況下,這些問(wèn)題會(huì)影響你正在設(shè)計(jì) ( 或者正在考慮設(shè)計(jì) ) 的電路板,如果電路板的數(shù)量很大,這項(xiàng)工作就是有價(jià)值的。

3 、電路板的層疊

某些項(xiàng)目組對(duì) PCB 層數(shù)的確定有很大的自主權(quán),而另外一些項(xiàng)目組卻沒(méi)有這種自主權(quán),因此,了解你所處的位置很重要。與制造和成本分析工程師交流可以確定電路板的層疊誤差,這時(shí)還是發(fā)現(xiàn)電路板制造公差的良機(jī)。比如,如果你指定某一層是 50 Ω阻抗控制,制造商怎樣測(cè)量并確保這個(gè)數(shù)值呢?

其它的重要問(wèn)題包括︰預(yù)期的制造公差是多少?在電路板上預(yù)期的絕緣常數(shù)是多少?線寬和間距的允許誤差是多少?接地層和信號(hào)層的厚度和間距的允許誤差是多少?所有這些信息可以在預(yù)布線階段使用。

根據(jù)上述數(shù)據(jù),你就可以選擇層疊了。注意,幾乎每一個(gè)插入其它電路板或者背板的 PCB 都有厚度要求,而且多數(shù)電路板制造商對(duì)其可制造的不同類型的層有固定的厚度要求,這將會(huì)極大地約束最終層疊的數(shù)目。你可能很想與制造商緊密合作來(lái)定義層疊的數(shù)目。應(yīng)該采用阻抗控制工具為不同層生成目標(biāo)阻抗范圍,務(wù)必要考慮到制造商提供的制造允許誤差和鄰近布線的影響。

在信號(hào)完整的理想情況下,所有高速節(jié)點(diǎn)應(yīng)該布線在阻抗控制內(nèi)層 ( 例如帶狀線 ) ,但是實(shí)際上,工程師必須經(jīng)常使用外層進(jìn)行所有或者部分高速節(jié)點(diǎn)的布線。要使 SI 最佳并保持電路板去耦,就應(yīng)該盡可能將接地層 / 電源層成對(duì)布放。如果只能有一對(duì)接地層 / 電源層,你就只有將就了。如果根本就沒(méi)有電源層,根據(jù)定義你可能會(huì)遇到 SI 問(wèn)題。你還可能遇到這樣的情況,即在未定義信號(hào)的返回通路之前很難仿真或者仿真電路板的性能。

4 、串?dāng)_和阻抗控制

來(lái)自鄰近信號(hào)線的耦合將導(dǎo)致串?dāng)_并改變信號(hào)線的阻抗。相鄰平行信號(hào)線的耦合分析可能決定信號(hào)線之間或者各類信號(hào)線之間的“安全” 或預(yù)期間距 ( 或者平行布線長(zhǎng)度 ) 。比如,欲將時(shí)鐘到數(shù)據(jù)信號(hào)節(jié)點(diǎn)的串?dāng)_限制在 100mV 以內(nèi),卻要信號(hào)走線保持平行,你就可以通過(guò)計(jì)算或仿真,找到在任何給定布線層上信號(hào)之間的最小允許間距。同時(shí),如果設(shè)計(jì)中包含阻抗重要的節(jié)點(diǎn) ( 或者是時(shí)鐘或者專用高速內(nèi)存架構(gòu) ) ,你就必須將布線放置在一層 ( 或若干層 ) 上以得到想要的阻抗。

5 、重要的高速節(jié)點(diǎn)

延遲和時(shí)滯是時(shí)鐘布線必須考慮的關(guān)鍵因素。因?yàn)闀r(shí)序要求嚴(yán)格,這種節(jié)點(diǎn)通常必須采用端接器件才能達(dá)到最佳 SI 質(zhì)量。要預(yù)先確定這些節(jié)點(diǎn),同時(shí)將調(diào)節(jié)元器件放置和布線所需要的時(shí)間加以計(jì)劃,以便調(diào)整信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的指針。

6 、技術(shù)選擇

不同的驅(qū)動(dòng)技術(shù)適于不同的任務(wù)。信號(hào)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的還是一點(diǎn)對(duì)多抽頭的?信號(hào)是從電路板輸出還是留在相同的電路板上?允許的時(shí)滯和噪聲裕量是多少?作為信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的通用準(zhǔn)則,轉(zhuǎn)換速度越慢,信號(hào)完整性越好。 50MHz 時(shí)鐘采用 500ps 上升時(shí)間是沒(méi)有理由的。一個(gè) 2-3ns 的擺率控制器件速度要足夠快,才能保證 SI 的品質(zhì),并有助于解決象輸出同步交換 (SSO) 和電磁兼容 (EMC) 等問(wèn)題。[!--empirenews.page--]

在新型 FPGA 可編程技術(shù)或者用戶定義 ASIC 中,可以找到驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)越性。采用這些定制 ( 或者半定制 ) 器件,你就有很大的余地選定驅(qū)動(dòng)幅度和速度。設(shè)計(jì)初期,要滿足 FPGA( 或 ASIC) 設(shè)計(jì)時(shí)間的要求并確定恰當(dāng)?shù)妮敵鲞x擇,如果可能的話,還要包括引腳選擇。

在這個(gè)設(shè)計(jì)階段,要從 IC 供貨商那里獲得合適的仿真模型。為了有效的覆蓋 SI 仿真,你將需要一個(gè) SI 仿真程序和相應(yīng)的仿真模型 ( 可能是 IBIS 模型 ) 。

最后,在預(yù)布線和布線階段你應(yīng)該建立一系列設(shè)計(jì)指南,它們包括︰目標(biāo)層阻抗、布線間距、傾向采用的器件工藝、重要節(jié)點(diǎn)拓?fù)浜投私右?guī)劃。

7 、預(yù)布線階段

預(yù)布線 SI 規(guī)劃的基本過(guò)程是首先定義輸入?yún)?shù)范圍 ( 驅(qū)動(dòng)幅度、阻抗、跟蹤速度 ) 和可能的拓?fù)浞秶?( 最小 / 最大長(zhǎng)度、短線長(zhǎng)度等 ) ,然后運(yùn)行每一個(gè)可能的仿真組合,分析時(shí)序和 SI 仿真結(jié)果,最后找到可以接受的數(shù)值范圍。

接著,將工作范圍解釋為 PCB 布線的布線約束條件?？梢圆捎貌煌浖ぞ邎?zhí)行這種類型的“清掃”準(zhǔn)備工作,布線程序能夠自動(dòng)處理這類布線約束條件。對(duì)多數(shù)用戶而言,時(shí)序信息實(shí)際上比 SI 結(jié)果更為重要,互連仿真的結(jié)果可以改變布線,從而調(diào)整信號(hào)通路的時(shí)序。

在其它應(yīng)用中,這個(gè)過(guò)程可以用來(lái)確定與系統(tǒng)時(shí)序指針不兼容的引腳或者器件的布局。此時(shí),有可能完全確定需要手工布線的節(jié)點(diǎn)或者不需要端接的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于可編程器件和 ASIC 來(lái)說(shuō),此時(shí)還可以調(diào)整輸出驅(qū)動(dòng)的選擇,以便改進(jìn) SI 設(shè)計(jì)或避免采用離散端接器件。

8 、布線后 SI 仿真

一般來(lái)說(shuō), SI 設(shè)計(jì)指導(dǎo)規(guī)則很難保證實(shí)際布線完成之后不出現(xiàn) SI 或時(shí)序問(wèn)題。即使設(shè)計(jì)是在指南的引導(dǎo)下進(jìn)行,除非你能夠持續(xù)自動(dòng)檢查設(shè)計(jì),否則,根本無(wú)法保證設(shè)計(jì)完全遵守準(zhǔn)則,因而難免出現(xiàn)問(wèn)題。布線后 SI 仿真檢查將允許有計(jì)劃地打破 ( 或者改變 ) 設(shè)計(jì)規(guī)則,但是這只是出于成本考慮或者嚴(yán)格的布線要求下所做的必要工作。

現(xiàn)在,采用 SI 仿真引擎,完全可以仿真高速數(shù)字 PCB( 甚至是多板系統(tǒng) ) ,自動(dòng)屏蔽 SI 問(wèn)題并生成精確的“引腳到引腳”延遲參數(shù)。只要輸入信號(hào)足夠好,仿真結(jié)果也會(huì)一樣好。這使得器件模型和電路板制造參數(shù)的精確性成為決定仿真結(jié)果的關(guān)鍵因素。很多設(shè)計(jì)工程師將仿真“最小”和“最大”的設(shè)計(jì)角落,再采用相關(guān)的信息來(lái)解決問(wèn)題并調(diào)整生產(chǎn)率。

9 、后制造階段

采取上述措施可以確保電路板的 SI 設(shè)計(jì)品質(zhì),在電路板裝配完成之后,仍然有必要將電路板放在測(cè)試平臺(tái)上,利用示波器或者 TDR( 時(shí)域反射計(jì) ) 測(cè)量,將真實(shí)電路板和仿真預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較。這些測(cè)量數(shù)據(jù)可以幫助你改進(jìn)模型和制造參數(shù),以便你在下一次預(yù)設(shè)計(jì)調(diào)研工作中做出更佳的 ( 更少的約束條件 ) 決策。

10 、模型的選擇

關(guān)于模型選擇的文章很多,進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序驗(yàn)證的工程師們可能已經(jīng)注意到,盡管從器件數(shù)據(jù)表可以獲得所有的數(shù)據(jù),要建立一個(gè)模型仍然很困難。 SI 仿真模型正好相反,模型的建立容易,但是模型數(shù)據(jù)卻很難獲得。本質(zhì)上, SI 模型數(shù)據(jù)唯一的可靠來(lái)源是 IC 供貨商,他們必須與設(shè)計(jì)工程師保持默契的配合。 IBIS 模型標(biāo)準(zhǔn)提供了一致的數(shù)據(jù)載體,但是 IBIS 模型的建立及其品質(zhì)的保證卻成本高昂, IC 供貨商對(duì)此投資仍然需要市場(chǎng)需求的推動(dòng)作用,而電路板制造商可能是唯一的需方市場(chǎng)。

11 、未來(lái)技術(shù)的趨勢(shì)

設(shè)想系統(tǒng)中所有輸出都可以調(diào)整以匹配布線阻抗或者接收電路的負(fù)載,這樣的系統(tǒng)測(cè)試方便, SI 問(wèn)題可以通過(guò)編程解決,或者按照 IC 特定的工藝分布來(lái)調(diào)整電路板使 SI 達(dá)到要求,這樣就能使設(shè)計(jì)容差更大或者使硬件配置的范圍更寬。

目前,業(yè)界也在關(guān)注一種 SI 器件技術(shù),其中許多技術(shù)包含設(shè)計(jì)好的端接裝置 ( 比如 LVDS) 和自動(dòng)可編程輸出強(qiáng)度控制和動(dòng)態(tài)自動(dòng)端接功能,采用這些技術(shù)的設(shè)計(jì)可以獲得優(yōu)良的 SI 品質(zhì),但是,大多數(shù)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 或者 TTL 邏輯電路差別太大,與現(xiàn)有仿真模型的配合不大好。

因此, EDA 公司也正加入到“輕輕松松設(shè)計(jì)”的競(jìng)技場(chǎng)之中,人們?yōu)榱嗽谠O(shè)計(jì)初期解決 SI 問(wèn)題已經(jīng)做了大量工作,將來(lái),不必 SI 專家就能借助自動(dòng)化工具解決 SI 問(wèn)題。盡管目前技術(shù)還沒(méi)有發(fā)展到那個(gè)水平,但是人們正探索新的設(shè)計(jì)方法,從“ SI 和時(shí)序布線”出發(fā)開(kāi)始設(shè)計(jì)的技術(shù)仍在發(fā)展,預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)將誕生新的設(shè)計(jì)技術(shù)。