高速PCB設(shè)計(jì)仿真講座二

1.1.2 邊緣速率引發(fā)高速問題 EDA設(shè)計(jì)工程師發(fā)現(xiàn) SI問題的起因不僅僅是高速設(shè)計(jì)。真正的原因不是系統(tǒng)時(shí)鐘速率的提高，而是驅(qū)動(dòng)器上升和下降時(shí)間的縮短。隨著芯片制造工藝技術(shù)的進(jìn)步及IC制造商轉(zhuǎn)向采用 0.25 微米或更小工藝，他們所生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)元件的裸片尺寸越來越?。贿吘壦俾试絹碓娇?，最終會(huì)導(dǎo)致 PCB設(shè)計(jì)中高速問題的產(chǎn)生，而傳統(tǒng)的高速分析是不考慮這類問題的。 此外，當(dāng)IC制造商轉(zhuǎn)向可在更小面積上封裝更多功能的高密度器件時(shí)，需要開發(fā)新型的封裝技術(shù)。現(xiàn)在，BGA、CSP 和 MCM 等封裝技術(shù)都可根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在小型封裝內(nèi)提供更多的引腳和更少的封裝寄生參數(shù)。盡管這些新型器件體積極小，但它們也有其自身的問題。例如，互連線較長(zhǎng) 。 即便不考慮系統(tǒng)時(shí)鐘速率，高的上升時(shí)間和更長(zhǎng)的走線長(zhǎng)度也讓設(shè)計(jì)工程師面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。只要傳輸線長(zhǎng)度引起的延遲超過驅(qū)動(dòng)器上升/下降時(shí)間有效長(zhǎng)度的六分之一，就會(huì)引起傳輸線問題。例如，若上升時(shí)間為 1 ns，走線邊緣速率為每英寸 2ns，只要走線長(zhǎng)度超過 1 英寸，就會(huì)發(fā)生傳輸線問題。眾所周知，走線長(zhǎng)度小于1 英寸的極為少見。因此，采用上升時(shí)間為 1ns 的設(shè)計(jì)肯定會(huì)出現(xiàn)高速設(shè)計(jì)問題。隨著新型 IC 工藝的出現(xiàn)，情況會(huì)變得越來越糟。因?yàn)樯仙龝r(shí)間將很快發(fā)展到 1ns 以下。實(shí)際上，大約每隔三年晶體管門長(zhǎng)度就會(huì)縮短，而其相應(yīng)的開關(guān)速率會(huì)增長(zhǎng)約 30%。 SI問題的表現(xiàn)方式很多。當(dāng)邊緣速率上升時(shí)，時(shí)序問題首先暴露出來。傳輸線效應(yīng)造成的阻尼振蕩(Ringing)、正尖峰(overshoot)和負(fù)尖峰(undershoot)有可能超過規(guī)定的噪音容限。在低速系統(tǒng)中，互連延遲和阻尼振蕩可以忽略不計(jì)，因?yàn)樵谶@種系統(tǒng)中信號(hào)有足夠的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定。但是當(dāng)邊緣速率加快，系統(tǒng)時(shí)鐘速率上升時(shí)，信號(hào)在器件之間的傳輸時(shí)間以及同步準(zhǔn)備時(shí)間都縮短了。 當(dāng)邊緣速率低于1ns時(shí)，串?dāng)_問題也出現(xiàn)了。通常串?dāng)_問題出現(xiàn)在高邊緣速率、高密度的上，其成因是走線之間的耦合。亞納秒級(jí)邊緣速率會(huì)引起高頻諧振，很容易耦合到鄰近的互連線中，從而造成串?dāng)_，擁有大量高速互連的特別容易產(chǎn)生此類問題。 當(dāng)高速器件的邊緣速率低于 0.5ns 時(shí)，電源系統(tǒng)穩(wěn)定性和 EMI等問題也隨之產(chǎn)生。來自大容量數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)交換速率特別快，當(dāng)它在電源層中產(chǎn)生足以影響信號(hào)的強(qiáng)波紋時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電源穩(wěn)定性問題。高速信號(hào)也可能產(chǎn)生輻射，EMI因而也成為要關(guān)注的另一個(gè)設(shè)計(jì)問題。1.1.3 傳輸線效應(yīng) PCB板上的走線可等效為下圖所示的串聯(lián)和并聯(lián)的電容、電阻和電感結(jié)構(gòu)。串聯(lián)電阻的典型值 0.25-0.55 ohms/foot，因?yàn)榻^緣層的緣故，并聯(lián)電阻阻值通常很高。將寄生電阻、電容和電感加到實(shí)際的 PCB 連線中之后，連線上的最終阻抗稱為特征阻抗 Zo。線徑越寬，距電源/地越近，或隔離層的介電常數(shù)越高，特征阻抗就越小。如果傳輸線和接收端的阻抗不匹配，那么輸出的電流信號(hào)和信號(hào)最終的穩(wěn)定狀態(tài)將不同，這就引起信號(hào)在接收端產(chǎn)生反射，這個(gè)反射信號(hào)將傳回信號(hào)發(fā)射端并再次反射回來。隨著能量的減弱反射信號(hào)的幅度將減小，直到信號(hào)的電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定。這種效應(yīng)被稱為振蕩，信號(hào)的振蕩在信號(hào)的上升沿和下降沿經(jīng)?？梢钥吹健?注：關(guān)于傳輸線的等效電路請(qǐng)參照電氣篇中的“相關(guān)計(jì)算”。圖 1－４ 傳輸線的等效電路