高速pcb設(shè)計(jì)中串?dāng)_分析與設(shè)計(jì)

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1、高速PCB設(shè)計(jì)中的串?dāng)_分析與控制物理分析與驗(yàn)證對(duì)于確保復(fù)雜、高速PCB板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的成功起到越來(lái)越關(guān)鍵的作用。本文將介紹在信號(hào)完整性分析中抑制和改善信號(hào)串?dāng)_的方法，以及電氣規(guī)則驅(qū)動(dòng)的高速PCB布線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)串?dāng)_控制的設(shè)計(jì)策略。當(dāng)前，日漸精細(xì)的半導(dǎo)體工藝使得晶體管尺寸越來(lái)越小，因而器件的信號(hào)跳變沿也就越來(lái)越快，從而導(dǎo)致高速數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域信號(hào)完整性問(wèn)題以及電磁兼容性方面的問(wèn)題日趨嚴(yán)重。信號(hào)完整性問(wèn)題主要包括傳輸線(xiàn)效應(yīng)，如反射、時(shí)延、振鈴、信號(hào)的過(guò)沖與下沖以及信號(hào)之間的串?dāng)_等，其中信號(hào)串?dāng)_最為復(fù)雜，涉及因素

2、多、計(jì)算復(fù)雜而難以控制。所以今天的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)迫切需要區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境、設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法的全新思路、流程、方法和技術(shù)。EDA技術(shù)已經(jīng)研發(fā)出一整套高速PCB和電路板級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析工具和方法學(xué)，這些技術(shù)涵蓋高速電路設(shè)計(jì)分析的方方面面：靜態(tài)時(shí)序分析、信號(hào)完整性分析、EMI/EMC設(shè)計(jì)、地彈反射分析、功率分析以及高速布線(xiàn)器。同時(shí)還包括信號(hào)完整性驗(yàn)證和Sign-Off，設(shè)計(jì)空間探測(cè)、互聯(lián)規(guī)劃、電氣規(guī)則約束的互聯(lián)綜合，以及專(zhuān)家系統(tǒng)等技術(shù)方法的提出也為高效率更好地解決信號(hào)完整性問(wèn)題提供了可能。信號(hào)完整性分析與設(shè)計(jì)是最重要

3、的高速PCB板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)分析與設(shè)計(jì)手段，在硬件電路設(shè)計(jì)中扮演著越來(lái)越重要的作用，這里將討論信號(hào)完整性問(wèn)題中的信號(hào)串?dāng)_。串?dāng)_解決方案信號(hào)之間由于電磁場(chǎng)的相互耦合而產(chǎn)生的不期望的噪聲電壓信號(hào)稱(chēng)為信號(hào)串?dāng)_。串?dāng)_超出一定的值將可能引發(fā)電路誤動(dòng)作從而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。解決串?dāng)_問(wèn)題問(wèn)題可以從以下幾個(gè)方面考慮：a.在可能的情況下降低信號(hào)沿的變換速率通常在器件選型的時(shí)候，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范的同時(shí)盡量選擇慢速的器件，并且避免不同種類(lèi)的信號(hào)混合使用，因?yàn)榭焖僮儞Q的信號(hào)對(duì)慢變換的信號(hào)有潛在的串?dāng)_危險(xiǎn)。b.采用屏蔽措施為高速信號(hào)提供包地

4、是解決串?dāng)_問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。然而，包地會(huì)導(dǎo)致布線(xiàn)量增加，使原本有限的布線(xiàn)區(qū)域更加擁擠。另外，地線(xiàn)屏蔽要達(dá)到預(yù)期目的，地線(xiàn)上接地點(diǎn)間距很關(guān)鍵，一般小于信號(hào)變化沿長(zhǎng)度的兩倍。同時(shí)地線(xiàn)也會(huì)增大信號(hào)的分布電容，使傳輸線(xiàn)阻抗增大，信號(hào)沿變緩。c.合理設(shè)置層和布線(xiàn)合理設(shè)置布線(xiàn)層和布線(xiàn)間距，減小并行信號(hào)長(zhǎng)度，縮短信號(hào)層與平面層的間距，增大信號(hào)線(xiàn)間距，減小并行信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)度(在關(guān)鍵長(zhǎng)度范圍內(nèi))，這些措施都可以有效減小串?dāng)_。d.設(shè)置不同的布線(xiàn)層為不同速率的信號(hào)設(shè)置不同的布線(xiàn)層，并合理設(shè)置平面層，也是解決串?dāng)_的好方法。e.阻抗匹配如果

5、傳輸線(xiàn)近端或遠(yuǎn)端終端阻抗與傳輸線(xiàn)阻抗匹配，也可以大大減小串?dāng)_的幅度。串?dāng)_分析的目的是為了在PCB實(shí)現(xiàn)中迅速地發(fā)現(xiàn)、定位和解決串?dāng)_問(wèn)題。一般的仿真工具與環(huán)境中仿真分析與PCB布線(xiàn)環(huán)境互相獨(dú)立，布線(xiàn)結(jié)束后進(jìn)行串?dāng)_分析，得到串?dāng)_分析報(bào)告，推導(dǎo)出新的布線(xiàn)規(guī)則并且重新布線(xiàn)，再分析修正，這樣設(shè)計(jì)的反復(fù)比較多。以圖1到圖6的6組串?dāng)_仿真案例進(jìn)行分析，受害網(wǎng)絡(luò)與侵害網(wǎng)絡(luò)上的驅(qū)動(dòng)器與負(fù)載完全一樣，信號(hào)線(xiàn)線(xiàn)寬、間距、并行長(zhǎng)度也都一樣，也就是說(shuō)它們控制串?dāng)_的物理規(guī)則完全一樣：圖1中侵害網(wǎng)絡(luò)與受害網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)信號(hào)線(xiàn)方向相同，始終并行；圖2中

6、兩個(gè)信號(hào)線(xiàn)方向相反，始終并行；圖3中兩個(gè)信號(hào)線(xiàn)方向相同，始終并行，信號(hào)線(xiàn)實(shí)施末端匹配；圖4中兩個(gè)信號(hào)線(xiàn)方向相同，串?dāng)_發(fā)生源端位置；圖5中兩個(gè)信號(hào)線(xiàn)方向相同，串?dāng)_發(fā)在中間位置；圖6中兩個(gè)信號(hào)線(xiàn)方向相同，串?dāng)_發(fā)在末端位置。通過(guò)仿真分析可以看到，實(shí)際的串?dāng)_結(jié)果都不相同，并且差距很大。因此，一個(gè)好的工具應(yīng)該不僅能夠分析串?dāng)_，并且能夠應(yīng)用串?dāng)_規(guī)則進(jìn)行布線(xiàn)。另外，一般的布線(xiàn)工具僅限于物理規(guī)則驅(qū)動(dòng)，對(duì)控制串?dāng)_的布線(xiàn)只能通過(guò)設(shè)定線(xiàn)寬和線(xiàn)間距，以及最大并行走線(xiàn)長(zhǎng)度等物理規(guī)則來(lái)約束。采用信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)工具集ICX可以支持真正意

7、義上的電氣規(guī)則驅(qū)動(dòng)布線(xiàn)，其仿真分析和布線(xiàn)在一個(gè)環(huán)境下完成，在仿真時(shí)可以設(shè)定電氣規(guī)則和物理規(guī)則，在布線(xiàn)的同時(shí)自動(dòng)計(jì)算過(guò)沖、串?dāng)_等信號(hào)完整性要素，并根據(jù)計(jì)算的結(jié)果自動(dòng)修正布線(xiàn)。這樣的布線(xiàn)速度快，而且真正符合實(shí)際的電氣性能要求。串?dāng)_控制的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)高速PCB設(shè)計(jì)規(guī)則通常分兩種：物理規(guī)則和電氣規(guī)則。所謂物理規(guī)則是指設(shè)計(jì)工程師指定基于物理尺寸的某些設(shè)計(jì)規(guī)則，比如線(xiàn)寬為4Mil，線(xiàn)與線(xiàn)之間的間距為4Mil，平行走線(xiàn)長(zhǎng)度為4Mil等。而電氣規(guī)則是指有關(guān)電特性或者電性能方面的設(shè)計(jì)規(guī)則，如布線(xiàn)延時(shí)控制在1ns到2ns之間，某一

8、個(gè)PCB線(xiàn)上的串?dāng)_總量小于70mV等等。定義清楚了物理規(guī)則和電氣規(guī)則就可以進(jìn)一步探討高速布線(xiàn)器。目前市場(chǎng)上基于物理規(guī)則(物理規(guī)則驅(qū)動(dòng))的高速布線(xiàn)器有AutoActiveRE布線(xiàn)器、CCT布線(xiàn)器、BlazeRouter布線(xiàn)器和RouterEditor布線(xiàn)器，實(shí)際上這些布線(xiàn)器都是物理規(guī)則驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)布線(xiàn)器，也就是說(shuō)這些布線(xiàn)器只能夠自動(dòng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工程師指定的物理尺寸方面的要求，而并