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高速電路設計中信號完整性分析
 
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091115152231
文章分類: EDA技術 其它
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关 键 词: 高速電路,信號完整性
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摘 要:
由于系統時鍾頻率和上升時間的增長,信號完整性設計變得越來越重要。不幸的是,絕大多數數字電路設計者並沒意識到信號完整性問題的重要性,或者是直到設計的最後階段才初步認識到。

    由于系統時鍾頻率和上升時間的增長,信號完整性設計變得越來越重要。不幸的是,絕大多數數字電路設計者並沒意識到信號完整性問題的重要性,或者是直到設計的最後階段才初步認識到。
    本篇介绍了高速数字硬件电路设计中信号完整性在通常设计的影响。这包括特征阻抗控制、终端匹配、电源和地平面、信号布线和串扰等问题。掌握这些知识,对一个数字电路设计者而言,可以在电路设计的早期,就注意到潜在可能的信号完整性问题,还可以帮助设计则在设计中尽量避免信号完整性对设计性能的影响。

    尽管,信号完整性一直以来都是硬件工程师必备的设计经验中的一项,但是在数字电路设计中长期被忽略。在低速逻辑电路设计时代,由于信号完整性相关的问题很少出现,因此对信号完整性的考虑本认为是浪费效率。然而近几年随着时钟率和上升时间的增长,信号完整性分析的必要性和设计也在增长。不幸的是,大多数设计者并没有注意到,而仍然在设计中很少去考虑信号完整性的问题。
    现代数字电路可以高达 GHz 频率并且上升时间在50ps 以内。在这样的速率下,在PCB设计走线上的疏忽即使是一个英尺,而由此造成的电压、时延和接口问题将不仅仅局限在这一根线上,还将会影响的全板及相邻的板。
    这个问题在混合电路中尤为严重。例如,考虑到在一个系统中有高性能的ADC 到数字化接收模拟信号。散布在ADC 器件的数字输出端口上的能量可能很容易就达到130dB(10,000,000,000,000 倍)比模拟输入端口。在ADC 数字端口上的任何噪声。设计中的信号完整性并不是什么神秘莫测的过程。对于在设计的早期意识到可能潜在的问题是很关键的,同时可以有效避免由此在后期造成的问题。本篇讨论了一些关键的信号完整性挑战及处理他们的方法。

確保信號完整性
1、隔離
    一块PCB板上的元器件有各种各样的边值(edge rates)和各种噪声差异。对改善SI最直接的方式就是依据器件的边值和灵敏度,通过PCB板上元器件的物理隔离来实现。下图是一个实例。在例子中,供电电源、数字I/O端口和高速逻辑这些对时钟和
數據轉換電路的高危險電路將被特別考慮。第一個布局中放置時鍾和數據轉換器在相鄰于噪聲器件的附近。噪聲將會耦合到敏感電路及降低他們的性能。第二個布局做了有效的電路隔離將有利于系統設計的信號完整性。
 
2、阻抗、反射及終端匹配
    阻抗控制和终端匹配是高速电路设计中的基本问题。通常每个电路设计中射频电路均被认为是最重要的部分,然而一些比射频更高频率的数字电路设计反而忽视了阻抗和终端匹配。
    由于阻抗失配产生的几种对数字电路致命的影响,参见下图:
 
a.數字信號將會在接收設備輸入端和發射設備的輸出端間造成反射。反射信號被彈回並且沿著線的兩端傳播直到最後被完全吸收。
b.反射信號造成信號在通過傳輸線的響鈴效應,響鈴將影響電壓和信號時延和信號的完全惡化。
c.失配信號路徑可能導致信號對環境的輻射。
    由阻抗不匹配引起的問題可以通過終端電阻降到最小。終端電阻通常是在靠近接收端的信號線上放置一到兩個分立器件,簡單的做法就是串接小的電阻。
    终端电阻限制了信号上升时间及吸收了部分反射的能量。值得注意的是利用阻抗匹配并不能完全消除破坏性因素。然而认真的选用合适的器件,终端阻抗可以很有效的控制信号的完整性。
    并不是所有的信号线都需要阻抗控制,在一些诸如紧凑型 PCI 规格要求中的特征阻抗和终端阻抗特性。
    对于别的没有阻抗控制规范要求的其他标准以及设计者并没有特意关注的。最终的标准可能发生变化从一个应用到另一个应用中。因此需要考虑信号线的长度(相关与延迟Td)以及信号上升时间(Tr)。通用的对阻抗控制规则是Td(延迟)应大于Tr 的1/6。

3、內電層及內電層分割
    在电流环路设计中会被数字电路设计者忽视的因素,包括对单端信号在两个门电路间传送的考虑(如下图)。从门A 流向门B 的电流环路,然后再从地平面返回到门A。
 
上圖中將會出現兩個潛在的問題:
a、A 和B 两点间地平面需要被连接通过一个低阻抗的通路
如果地平面間連接了較大的阻抗,在地平面引腳間將會出現電壓倒灌。這就必將會導致所有器件的信號幅值的失真並且疊加輸入噪聲。
b、電流回流環的面積應盡可能的小
環路好比天線。通常說話,一種更大環路面積將會增大了環路輻射和傳導的機會。每一個電路設計者都希望回流電流都可直接沿著信號線,這樣就最小的環路面積。
    用大面积接地可以同时解决以上两个问题。大面积接地可以提供所有接地点间小的阻抗,同时允许返回电流尽量直接沿着信号线返回。
    在 PCB 设计者中一个常见的错误是在地电层上打过孔和开槽。下图显示了当一条信号线在一个开过槽的地电层上的电流流向。回路电流将被迫绕过开槽,这就必然会产生一个大的环流回路。
 
    通常而言,在地电源平面上是不可以开槽的。然而,在一些不可避免要开槽的场合,PCB 设计者必须首先确定在开槽的区域没有信号回路经过。同样的规则也适用于混合信号电路 PCB 板中除非用到多个地层。特别是在高性能ADC 电路中可以利用分离模拟信号、数字信号及时钟电路的地层有效的减少信号间的干扰。需要再次强调的,在一些不可避免要开槽的场合,PCB 设计者必须首先确定在开槽的区域没有信号回路经过。
    在带有一个镜像差异的电源层中也应注意层间区域的面积(如下图)。在板卡的边缘存在电源平面层对地平面层的辐射效应。从边沿泄漏的电磁能量将破坏临近的板卡。见下图a。适当的减少电源平面层的面积(见下图b),以至于地平面层在一定的区域内交叠。这将减少电磁泄漏对邻近板卡的影响。

4、信號布線
    保证信号完整性最重要的就是信号线的物理布线。PCB 设计者经常处在工作压力下,不仅要在尽可能短的时间完成设计,而且还要保证信号的完整性要求。掌握如何平衡可能出现的问题与信号的间距将推动系统设计的进程。高速电流不能有效处理信号线中的不连续。在下图a 中最容易出现信号不连续的问题。在低速电路中对通常不需要考虑信号的不连续性,而在高速电路中就必须考虑这个问题。因此,在电路设计中与采用下图中b/c 所示的方式,可以有效的保证信号的连续性。
 
    在高速电路设计中,对信号布线存在的另一个共性问题。如果没有特别的原因,应该尽可能消除所有的短接线。在高频率电路设计中,短接线就如同由于信号线的阻抗匹配而引发的辐射一样。
    在高速电路设计的布线中特别需要注意差分对的布线。差分对是通过两条完全互补信号线驱动的。差分对可以很好的避免噪声干扰和改进S/N率。然而差分对信号线对布线有特别高的要求:
1、兩條線必須盡可能靠近布線;
2、兩條線必須長度完全一致;
    在两个没排列在一起的器件间布差分对信号线如何合理的布线是一个关键问题。
 
    上图a中由于两条信号线的长度不一致,将会出现一些不确定风险。正确的布线应采取上图b中的方式。在差分对布线中的通用规则是:保持两条信号线同等间距并相互靠近。

5、串擾
    在PCB设计中,串扰问题是另一个值得关注的问题。下图中显示出在一个PCB中相邻的三对并排信号线间的串扰区域及关联的电磁区。当信号线间的间隔太小时,信号线间的电磁区将相互影响,从而导致信号的恶化,这就是串扰。
 
    串扰可以通过增加信号线间距解决。然而,PCB 设计者通常受制于日益紧缩的布线空间和狭窄的信号线间距;由于在设计中没有更多的选择,从而不可避免的在设计中引入一些串扰问题。显然,PCB 设计者需要一定的管理串扰问题的能力。这些年出了许多可靠间距的相关规则。而一个通常业界认可的规则是3W 规则,即相邻信号线间距至少应为信号线宽度的3 倍。然而,实际中可接受的信号线间距依赖于实际的应用、工作环境及设计冗余等因素。信号线间距从一种情况转变成另一种以及每次的计算。因此,当串扰问题不可避免时,就应该对串扰定量化。这都可以通过计算机仿真技术表示。利用仿真器,设计者可以决定信号完整性效果和评估系统的串扰影响效果。

6、電源退耦
    电源退耦是现在数字电路设计中标准惯例,在此提及将有助于减少电源线上噪声问题。一个干净的电源对设计一个高性能电路至关重要。
    迭加在电源上的高频噪声将会对相邻的每个数字设备都会带来问题。典型的噪声来源于地弹、信号辐射或者数字器件自身。
    最简单的解决电源噪声方式是利用电容对地上的高频噪声退耦。理想的退耦电容为高频噪声提供了一条对地的低阻通路,从而清除了电源噪声。
    依据实际应用选择退耦电容,大多数的设计者会选择表贴电容在尽可能靠近电源引脚,而容值应大到足够为可预见的电源噪声提供一条低阻对地通路。采用退耦电容通常会遇到的问题是不能将退耦电容简单的当成电容。有以下几种情况:
a、電容的封裝會導致寄生電感;
b、電容會帶來一些等效電阻;
c、在電源引腳和退耦電容間的導線會帶來一些等效電感;
d、在地引腳和地平面間的導線會帶來一些等效電感;
由此而引發的效應:
a、电容将会对特定的频率引发共振效应和由其产生的網絡阻抗对相邻频段的信号造成更大的影响;
b、等效電阻(ESR)還將影響對高速噪聲退耦所形成的低阻通路;
 
以下總結了由此對一個數字設計者産生的效應:
a、从器件上 Vcc 和GND 引脚引出的引线需要被当作小的电感。因此建议在设计中尽可能使Vcc 和GND 的引线短而粗。
b、选择低 ESR 效应的电容,这有助于提高对电源的退耦;
c、選擇小封裝電容器件將會減少封裝電感。改換更小封裝的器件將導致溫度特性的變化。因此在選擇一個小封裝電容後,需要調整設計中器件的布局。
    在设计中,用Y5V 型号的电容替换X7R 型号的电容器件,可保证更小的封装和更低的等效电感,但同时也会为保证高的温度特性花费更多的器件成本。
    在设计中还应考虑用大容量电容对低频噪声的退耦。采用分离的电解电容和钽电容可以很好的提高器件的性价比。

7、總結
    信号完整性是贯穿于高速数字电路设计中的最重要的问题之一;在此将列出几点在数字电路设计中保证信号完整性的建议:
a、對靈敏元件實施對噪聲器件的物理隔離;
b、阻抗控制、反射和信號終端匹配;
c、用連續的電源和地平面層;
d、布線中盡量避免采用直角;
e、差分對布線長度相等;
f、高速電路設計中應考慮串擾問題;
g、電源退耦問題;
    很好了掌握以上提到的数字电路设计中的问题,可以帮助数字电路设计者能在电路设计的早期尽可能多地发现一些电路设计中潜在的问题。

 
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