有哪些功能和方案專攻高速設(shè)計(jì)布局布線？
2017-06-06
有哪些功能和方案專攻高速設(shè)計(jì)布局布線？
在科技高速發(fā)展的當(dāng)今世界，隨著電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體工藝的迅猛發(fā)展以及人們對(duì)信息高速化、寬帶化的需求，高速電路設(shè)計(jì)已經(jīng)成為電子產(chǎn)品開發(fā)的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。
如果想設(shè)計(jì)出一款高端產(chǎn)品，就意味著需要不斷地挑戰(zhàn)電子設(shè)計(jì)的各種極限。不論你是PCB工程師、系統(tǒng)工程師，還是芯片設(shè)計(jì)工程師，都面臨著信號(hào)完整性——當(dāng)今高速電子設(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)。如何設(shè)計(jì)高速接口電路如DDR4、PCI Express、40G比特以太網(wǎng)接口或者SerDes接口？如何在設(shè)計(jì)過程中得到可預(yù)見的誤碼率和減少電磁干擾和串?dāng)_？如何處理由高速信號(hào)互連線引起的反射、串?dāng)_、開關(guān)噪聲等信號(hào)完整性問題，確保信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量？這些都不是簡單的工作。
高速設(shè)計(jì)有何特別？
所謂能力越大，責(zé)任越大。高速設(shè)計(jì)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域也帶來了自己獨(dú)特的挑戰(zhàn)。多年來，高頻信號(hào)設(shè)計(jì)部分的增加與電子系統(tǒng)性能的不斷提高緊密相連。隨著系統(tǒng)性能的提高，PCB設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)開始加劇。芯片越來越小，電路板布局越來越密集，我們也在不斷尋求提供低功耗的芯片。隨著所有這些技術(shù)的快速發(fā)展，高速設(shè)計(jì)作為高性能產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心，包括其所有的復(fù)雜性和解決方案便應(yīng)運(yùn)而生。
過去30年來PCB設(shè)計(jì)發(fā)生了很大的變化。 1987年，我們認(rèn)為0.5微米技術(shù)是全能的，但是我們發(fā)現(xiàn)22nm技術(shù)是常見的。 1985年推出的在當(dāng)時(shí)代表主流設(shè)計(jì)復(fù)雜度的邊緣速率（通常為30ns）與邊緣速率（1ns）相比簡直是小巫見大巫，如下圖所示：
當(dāng)涉及到高速電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，電路的布局布線工作將不再是簡單地快速連線或者為滿足產(chǎn)品的外形尺寸去簡單的布局。工程師需要事先規(guī)劃每個(gè)處理器、內(nèi)存模塊和連接器的位置，并仔細(xì)確定它們之間的高速互連設(shè)計(jì)。完善的高速設(shè)計(jì)意味著在設(shè)計(jì)之初就制定好電路的約束和規(guī)范。確保電路板上的所有信號(hào)完美地進(jìn)行傳輸，并大限度地降低信號(hào)相互之間的干擾。那么這里就要提到一個(gè)專業(yè)名詞信號(hào)完整性（SI)。SI就是確保瞬時(shí)跳變的數(shù)字信號(hào)通過較長的一段傳輸線后，在接收端仍能完整地被正確接收，并保證良好的電磁兼容性。SI主要涉及到延遲、反射、串?dāng)_、時(shí)序、端接策略、電流回路等問題。
信號(hào)完整性問題產(chǎn)生的根源：
1、數(shù)字信號(hào)開關(guān)速度不斷提高，上升沿變快，造成的信號(hào)反射、過沖、振鈴和串?dāng)_
2、信號(hào)的幅度不斷降低，信號(hào)/噪聲比越來越小
3、信號(hào)速度的提高
4、信號(hào)在傳輸線上的傳輸延遲
信號(hào)完整性主要問題表現(xiàn)：
1、信號(hào)反射：
如果一根走線沒有被正確終結(jié)（終端匹配），那么來自于驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)脈沖在接收端被反射，從而引發(fā)不預(yù)期效應(yīng)，使信號(hào)輪廓失真。
信號(hào)反射產(chǎn)生原因：
1、過長的走線
2、 未被匹配終結(jié)的傳輸線
3、 過量電容或電感，以及阻抗失配
2. 過沖與下沖
雖然大多數(shù)元件接收端都有輸入保護(hù)二極管保護(hù)， 但有時(shí)這些過沖電平會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過元件電源電壓范圍，損壞元器件。
過沖與下沖產(chǎn)生的原因：
1、過長的走線
2、信號(hào)變化太快
3. 振鈴(Ringing)
信號(hào)的振蕩發(fā)生在邏輯電平門限附近，多次跨越邏輯電平門限從而導(dǎo)致邏輯功能紊亂。信號(hào)如果在傳輸線上來回反射，就會(huì)產(chǎn)生振鈴。
4. 時(shí)鐘偏移(Clock Skew)
時(shí)鐘偏移（Skew）是指不同的接收設(shè)備接收到同一時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)輸出之間的時(shí)間差。對(duì)于參考時(shí)鐘而言，時(shí)鐘偏移有正延時(shí)和 負(fù)延時(shí)之分。時(shí)鐘偏移可引起有效時(shí)鐘周期的減小。
產(chǎn)生的原因:
1、 由不同時(shí)鐘路徑的延時(shí)或驅(qū)動(dòng)器件不同驅(qū)動(dòng)門之間的時(shí)差所造成
2、由于接收端之間的閾值不同、負(fù)載電容不同、信號(hào)質(zhì)量的差異所造成
5. 串?dāng)_
串?dāng)_是指兩個(gè)不同的電性能網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用。產(chǎn)生串?dāng)_（crosstalk） 的一方被稱作Aggressor，而收到干擾的一方被稱作Victim。通常，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)既是入侵者,又是受害者。串?dāng)_會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā)。
1、串?dāng)_是由同一個(gè)PCB板上的兩條信號(hào)線之間互容和互感的容性耦合和感性耦合引起線上的噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流，而感性耦合引發(fā)耦合電壓。
2、影響串?dāng)_的因素：PCB板層的參數(shù)（厚度，介電常數(shù)）等、信號(hào)線間距、線端接方式等。
3、易產(chǎn)生串?dāng)_的信號(hào)：異步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)
串?dāng)_的解決方法？
信號(hào)線距離地線越近，線間距越大，產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)就越小。因此解決串?dāng)_的方法是移開發(fā)生串?dāng)_的信號(hào)或屏蔽被嚴(yán)重干擾 的信號(hào)(包地)。
6. 電磁輻射
EMI所產(chǎn)生的問題包括過量的電磁輻射及對(duì)電磁輻射的敏感性兩個(gè)方面。當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)加電運(yùn)行時(shí)，會(huì)向周圍環(huán)境輻射電磁波， 從而干擾周圍環(huán)境中電子設(shè)備的正常工作。
電磁輻射產(chǎn)生的主要原因：
1、電路頻率太高
2、布局布線不合理，包括特性阻抗控制、線寬控制
高速設(shè)計(jì)的解決方案
針對(duì)上述高速設(shè)計(jì)中有關(guān)信號(hào)完整性方面常見的問題，在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)過程中都有哪些解決方案？
PCB分層設(shè)計(jì)
PCB的疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是進(jìn)行信號(hào)完整性的分析的基礎(chǔ)， 建議采用多層設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的一般原則如下：
1、元件面的下層為地平面，以提供器件屏蔽層和為頂層布線提供參考平面
2、所有信號(hào)層盡可能與地平面相鄰
3、 盡量避免兩信號(hào)層直接相鄰
4、主電源盡量與對(duì)應(yīng)地相鄰
5、兼顧層壓結(jié)構(gòu)對(duì)稱
6、關(guān)鍵信號(hào)與地平面相鄰，不跨分割區(qū)
如上圖所示，對(duì)于多層板，關(guān)鍵布線層（時(shí)鐘線、總線、接口信號(hào)線、射頻線、復(fù)位信號(hào)線、片選信號(hào)線以及各種控制信號(hào) 線等所在層）應(yīng)與完整地平面相鄰，優(yōu)選兩地平面之間。因?yàn)?，關(guān)鍵信號(hào)線一般都是強(qiáng)輻射或極其敏感的信號(hào)線，靠近地平面布線能夠使其信號(hào)回路面積減小，減小其輻射 強(qiáng)度或提高抗干擾能力。
另外，多層板中，電源平面應(yīng)相對(duì)于其相鄰地平面內(nèi)縮(建議值5H～20H)。 如下圖所示，電源平面相對(duì)于其回流地平面內(nèi)縮可以有效抑制“邊緣輻射”問題。
2、PCB布局設(shè)計(jì)
PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分遵守沿信號(hào)流向直線放置的設(shè)計(jì)原則，盡量避免來回環(huán)繞。避免信號(hào)直接耦合，影響信號(hào)質(zhì)量。
多種模塊電路在同一PCB上放置時(shí)，數(shù)字電路與模擬電路、高速與低速電路應(yīng)分開布局。避免數(shù)字電路、模擬電路、高速電路以及低速電路之間的互相干擾。
當(dāng)線路板上同時(shí)存在高、中、低速電路時(shí)，應(yīng)該遵從下圖中的布局原則。避免高頻電路噪聲通過接口向外輻射。
存在較大電流變化的單元電路或器件（如電源模塊的輸入輸出端、風(fēng)扇及繼電器）附近應(yīng)放 置儲(chǔ)能和高頻濾波電容。儲(chǔ)能電容的存在可以減小大電流回路的回路面積。
線路板電源輸入口的濾波電路應(yīng)應(yīng)靠近接口放置。避免已經(jīng)經(jīng)過了濾波的線路被再次耦合。
在PCB板上，接口電路的濾波、防護(hù)以及隔離器件應(yīng)該靠近接口放置?？梢杂行У膶?shí)現(xiàn)防護(hù)、濾波和隔離的效果。
3、PCB布線設(shè)計(jì)
普通走線要注意的地方
1、PCB走線需要避免直角走線。直角走線導(dǎo)致阻抗不連續(xù)，導(dǎo)致信號(hào)發(fā)射，從而產(chǎn)生振鈴或過沖，形成強(qiáng)烈的EMI輻射。
2、PCB走線特別是時(shí)鐘線與總線的粗細(xì)應(yīng)保持一致。粗細(xì)不一致時(shí)，走線阻抗會(huì)發(fā)生突變， 導(dǎo)致如同前頁中的問題。
3W原則
為了減少線間串?dāng)_，應(yīng)保證線間距足夠大，當(dāng)線中心間距不少于3倍線寬時(shí)，則可保持70%的電場不互相干擾，稱為3W規(guī) 則。如要達(dá)到98%的電場不互相干擾，可使用10W的間距。時(shí)鐘、總線、射頻線等關(guān)鍵信號(hào)走線和其他同層平行走線應(yīng)盡量滿足3W原則。避免信號(hào)之間的串?dāng)_。
差分對(duì)布線(Differential Pairs)
差分信號(hào)就是利用兩根線分別傳輸正信號(hào)和負(fù)信號(hào)，接收端根據(jù)兩根線的差值就能判定接收到的比特，差分信號(hào)能夠極大緩解遠(yuǎn)距高速通信的共模信號(hào)偏移問題。成對(duì)的布線，信號(hào)相反，由于干擾對(duì)兩根走線影響相同，增強(qiáng)了抗干擾能力。良好的差分對(duì)應(yīng)當(dāng)距離足夠近，并且具有一定的絞合度以抵消空間電(磁)場的影響。所以在布線中盡量保持等長，等寬且緊密靠近。所謂盡量靠近且平行是因?yàn)殚g距會(huì)影響到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是設(shè)計(jì)差分對(duì)的重要參數(shù)。若兩線忽遠(yuǎn)忽近, 差分阻抗就會(huì)不一致, 就會(huì)影響信號(hào)完整性(signal integrity)及時(shí)間延遲(timing delay)。
在Alitum Designer中，可以在原理圖設(shè)計(jì)階段就定義差分對(duì)信號(hào)。如下圖所示。
From-Tos 布線
From-To主要是用來定義多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上的pin-to-pin管腳之間的布線長度。通過這種方式，我們可以控制一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上某個(gè)特定管腳到另一個(gè)特定管腳之間的走線長度，以及對(duì)應(yīng)的信號(hào)傳輸延遲。這項(xiàng)設(shè)置主要在PCB設(shè)計(jì)中進(jìn)行。
對(duì)于多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，我們需要對(duì)每個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)端-接收端的管腳對(duì)創(chuàng)建這些From-To對(duì)象。對(duì)于多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中這些驅(qū)動(dòng)端到接收端的多組From-To對(duì)象來說，主要的目的是要控制對(duì)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中每組信號(hào)（從驅(qū)動(dòng)端某管腳到接收端另一管腳）的飛行時(shí)間。該飛行時(shí)間是指信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端傳輸?shù)浇邮斩耍⑦_(dá)到一定的電平之間的延時(shí)。和傳輸延遲和上升時(shí)間有關(guān)。這種情況下，需要在每組驅(qū)動(dòng)端到接收端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段控制（靜態(tài)時(shí)序）。From-To用來進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)分段控制的方法在高速設(shè)計(jì)中，對(duì)保持信號(hào)完整性非常重要。如下圖所示為From-To用于多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中各組信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)序考慮的例子。參考http://publish-it-online.com/publication/?i=49146 第26頁。
阻抗布線(Impedance control)
阻抗控制在高速PCB設(shè)計(jì)中是非常重要的。俗話說的好，工欲善其事，必先利其器。要想板子利索的跑起來，傳輸線阻抗計(jì)算肯定不能等閑視之。
在高速設(shè)計(jì)流程里，疊層設(shè)計(jì)和阻抗計(jì)算是必須要認(rèn)真考慮的?；诰_的疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，AItiumDesigner建立了標(biāo)準(zhǔn)的PCB微帶線和帶狀線模型，由此可以通過設(shè)計(jì)目標(biāo)阻抗來自動(dòng)控制所需的走線寬度，避免在換層走線時(shí)重新計(jì)算線寬，再人工改變走線寬度的繁瑣。如下圖所示。
阻抗計(jì)算方法很成熟，除了Altium Designer中內(nèi)置的阻抗計(jì)算功能之外，由于更多高速設(shè)計(jì)特定的要求不同，設(shè)計(jì)師還可以輔助外部的專門計(jì)算阻抗的軟件來計(jì)算，并綜合考慮。比如Polar Instruments的SI8000，SI9000，或Freeware的TNT-MMTL都可以。不同的軟件計(jì)算的差別很小。
阻抗的計(jì)算是相對(duì)比較繁瑣的，但我們可以總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)值幫助提高計(jì)算效率。對(duì)于常用的FR4，50ohm的微帶線，線寬一般等于介質(zhì)厚度的2倍；50ohm的帶狀線，線寬等于兩平面間介質(zhì)總厚度的二分之一，這可以幫我們快速鎖定線寬范圍。
除了提升計(jì)算效率，我們還要提高計(jì)算精度。因?yàn)樽杩箍刂聘圃彀鍙S的關(guān)系也很大。由于加工工藝不同，材料介電系數(shù)差異等情況，阻抗設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)師與PCB制造板廠共同協(xié)作，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，才能對(duì)阻抗有一個(gè)理想的控制。
長度調(diào)整走線(Length Tuning)
匹配走線長度保證了時(shí)間敏感信號(hào)同時(shí)到達(dá)目標(biāo)引腳。在不違反設(shè)計(jì)規(guī)則的前提下，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)走線中增加蛇形線等方式，能夠動(dòng)態(tài)優(yōu)化和控制網(wǎng)絡(luò)或差分對(duì)走線長度。走線長度調(diào)整一般是為了控制時(shí)序。
比如等長線是為了減少信號(hào)相對(duì)延時(shí)，常用在高速存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù)線上。簡單來說：等長線的作用，就是讓信號(hào)傳輸?shù)乃俣纫恢隆2C總線無需畫等長線，雖然I2C信號(hào)與內(nèi)存一樣都是有相對(duì)時(shí)序要求，但由于信號(hào)頻率較低，此時(shí)由導(dǎo)線長度引起的延時(shí)不足以影響正常時(shí)序，所以無需等長。當(dāng)然如果等長也沒什么不好的。差分線也一樣，高速信號(hào)要注意等長。差分線在等長布線時(shí)要保證2根線等距平行。
走線長度調(diào)整有多種應(yīng)用。比如：
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)走線長度調(diào)整。如下圖所示。
差分對(duì)走線長度調(diào)整(差分對(duì)內(nèi)部兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間走線等長，以及兩對(duì)差分對(duì)之間走線等長)。如下圖所示。
封裝內(nèi)管腳延遲所需要的長度調(diào)整。 比如大型BGA器件內(nèi)部到器件引腳的信號(hào)走線長度，通常沒有進(jìn)行匹配，而且各引腳的信號(hào)走線都不相同。這些芯片內(nèi)部的引腳走線數(shù)據(jù)可以從芯片的數(shù)據(jù)手冊拿到。而我們這里所講的長度匹配，就是在芯片外部進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)走線的時(shí)候，進(jìn)行長度調(diào)整，來匹配芯片內(nèi)部到引腳的走線部分，進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)補(bǔ)償。如下圖所示。
Xsignal
在高速布線設(shè)計(jì)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是根據(jù)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的腳對(duì)腳(pin-to-pin)連接方式來安排的。默認(rèn)情況下網(wǎng)絡(luò)的 pin-to-pin 連接方式是按照最小長度定義的。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇有多種原因：
1、在高速設(shè)計(jì)中，我們要盡可能地減少信號(hào)的反射現(xiàn)象，所以一般選擇菊花鏈形式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
2、對(duì)于地網(wǎng)絡(luò)，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以保障所有電流回到一個(gè)共同的公共點(diǎn)。
3、DDR2(某些情況下的DDR3)，可采用平衡T(balanced-T）或支路匹配(branch matched)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
4、DDR3和DDR4 中引入了飛越(fly-by)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在fly-by拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，地址/控制線/時(shí)鐘信號(hào)從一個(gè)SDRAM到下一個(gè)之間依次布線，這種方式可以消除反射干擾。
所以，XSignal實(shí)際上是指設(shè)計(jì)師定義的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)路徑?？梢允峭粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，也可以是相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)之間(由一器件分隔開來）的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。一旦節(jié)點(diǎn)對(duì)被確定，即可通過相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)則來設(shè)置它們的長度以及需要匹配的長度。在信號(hào)長度規(guī)則中使用 XSignal (pin pairing) ，實(shí)現(xiàn)每個(gè)支路不同的延時(shí)補(bǔ)償。
如上圖所示，Altium Designer可以自動(dòng)根據(jù)XSignal Wizard簡單快捷地生成XSignal，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)則設(shè)置來進(jìn)行高速布線。
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