【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 范圍了。 信號(hào)完整性的解決方案 隨著各種 PCB仿真軟件的 出現(xiàn)，通過(guò)仿真指導(dǎo)布局來(lái)解決信號(hào)完整性問(wèn)題成為行之有效的途徑。首先 在電路設(shè)計(jì)方案中，設(shè)計(jì)者可有多種選擇，并能通過(guò)設(shè)計(jì)同步切換輸出數(shù)量，各單元的最大 dI/dt和 dV/dt等工作來(lái)控制信號(hào)的完整性，也可為高扇出功能塊，如時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器選擇使用差分信號(hào)。在布 線過(guò)程中， 可以通過(guò)在 SpecctraQues中設(shè)置約束條件 來(lái)使布線符合規(guī)定條件， 以得到對(duì)于延遲的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。 對(duì)電路進(jìn) 行電路仿真 這在現(xiàn)代高速 PCB板設(shè)計(jì)中顯得 尤為重要，而且它具有的最大優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)， 給設(shè)計(jì)師科學(xué)、準(zhǔn)確和直觀的設(shè)計(jì)結(jié)果，便于及時(shí)更改與糾正，縮短了設(shè)計(jì) 時(shí)間，降低了成本設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)相關(guān)因素作出估計(jì)，建立合理的模型。隨著時(shí)鐘頻率的增加，這將成為一項(xiàng)關(guān)鍵的確認(rèn)和驗(yàn)證步驟。在現(xiàn) 代高速 PCB設(shè)計(jì)中， 保持信號(hào)完整性對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)越來(lái)越富有挑戰(zhàn)性。 號(hào)完整性要求。 第 四 章 傳輸線原理 簡(jiǎn)單的說(shuō)，傳輸線是由兩條有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)線組成。 如 信號(hào)在走線上的傳輸時(shí)間 大于 電平跳變上升 /下降時(shí)間 的一半，則該走線判定為傳輸線。 傳輸線模型 平行傳輸線如下圖所示： 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 圖 信號(hào)路徑和返回路徑所在的傳輸線不可能是理想的導(dǎo)體，因此它們都有有限的電阻，電阻的大小由傳輸線的長(zhǎng)度 和橫截面積決定。任何傳輸線都可以劃分為一系列串接 線段 。 同樣的在傳輸線之間的介質(zhì)也不可能 是理想的絕緣體，漏電流總是存在的，可以用單位長(zhǎng)度傳輸線的漏電流來(lái)衡量。 如果 AB導(dǎo)線間的電壓不隨時(shí)間而變化， 在 AB導(dǎo)線就會(huì)存在靜態(tài)電場(chǎng)。 由靜電學(xué)原理可知，由靜電場(chǎng)產(chǎn)生的電壓為： ? ?? dlEV 如果兩導(dǎo)線上帶有等量 、極性相反的自由電荷，根據(jù)庫(kù)侖定律，導(dǎo)線間的靜電場(chǎng)為： 24 rQE ??? Q是自由電荷量， ? 是介電常數(shù)， r是 導(dǎo)線間距。 傳輸線上的電荷以及其間的電壓構(gòu)成了電容： VQC? 由于電容量會(huì)隨傳輸線的長(zhǎng)度線性增加，在分析中運(yùn)用傳輸線的單位長(zhǎng)度電容。 導(dǎo)線中的電流會(huì)在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，由安培定律有： ? ?? IdlH 由畢奧 沙伐爾定律有： 34 r rIdldB ?? ?? H是磁場(chǎng) 強(qiáng)度 ， B是 磁通密度， ? 是磁導(dǎo)率。 如果導(dǎo)線間的磁通量隨時(shí)間變化，傳輸線上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，由法拉第定律有： dtdiLdtdV ?? ? 綜上所述， 傳輸線模型段由串聯(lián)電阻和電感、并聯(lián)電容組成，如下圖： 圖 從電路分析的角度講，以上三種結(jié)構(gòu)安排是等價(jià)的， 實(shí)際的傳輸線模型由無(wú)數(shù)多個(gè)短線段組成，短線段的長(zhǎng)度趨重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 于零。 由一系列短傳輸線段組成的傳輸線模型如下： 圖 傳輸線 的 特性 阻抗 考慮 短線段 上 的電阻和電感， 其阻抗為： ）（ LjRlZ s ??? 同樣的綜合電容和電導(dǎo)，其阻抗為： )( 11 CjGlYZ PP ???? 在下圖中假設(shè)傳輸線的長(zhǎng)度無(wú)限大，每一小段傳輸線的阻抗是相等的，即： nZZZZ ??????? 321 圖 對(duì)于均與傳輸 線，當(dāng)信號(hào)在上面?zhèn)鬏敃r(shí)，在任何一處所受到的瞬態(tài)阻抗是相同的，稱之為傳輸線的特性阻抗。 所以上圖可以簡(jiǎn)化為下圖： 圖 由上面的討論可知 傳輸線的輸入阻抗和特性阻抗必然相等，即： 0ZZin? 由上圖的電路結(jié)構(gòu)知： 00 0 ZZZ ZZZZ PPsin ???? 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 求解上式得： 2 420 PSSS ZZZZZ ??? 根據(jù) SZ 和 PZ 的定義，可得： CjG LjRLjRlLjRlZ ???? ??????? 4)(212 )( 220 因?yàn)?l 很小，所以上式可以簡(jiǎn)化為： PS ZZCjG LjRZ ???? ??0 在低頻情況下，比如信號(hào)頻率小于 1KHz時(shí)，特性阻抗為： GRZ ?0 當(dāng)信號(hào)頻率很高，比如大于 100MHz時(shí)， L? 和 C? 遠(yuǎn)大于 R和 G，所以上式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為： CLZ ?0 第 五 章 反射的理論分析和仿真 如果信號(hào)沿互連線傳播時(shí)所受的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，則一部份信號(hào)將被反射，另一部份信號(hào)發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去。 反射形成機(jī)理 信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)，其路徑上的每一步都有相應(yīng)的瞬態(tài) 阻抗，無(wú)論是什么原因使瞬態(tài)阻抗發(fā)生了變化 ，信號(hào)都將產(chǎn)生反射現(xiàn)象，瞬態(tài)阻抗變化越大，反射越大。 圖 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 信號(hào)到達(dá)瞬態(tài)阻抗不同的兩個(gè)區(qū)域的交界面時(shí)， 在導(dǎo)體中只存在一個(gè)電壓和一個(gè)電流回路，邊界處不可能出現(xiàn)電壓不連續(xù)，否則此處有一個(gè)無(wú)限大的電場(chǎng)；也不可能出現(xiàn)電流不連 續(xù)，否則此處有一個(gè)無(wú)限大的磁場(chǎng)，所以交界面的電壓和電流一定連續(xù)，則有： 21 VV? ， 21 II ? 而 由 歐姆定律知： 111 /ZVI ? ， 222 /ZVI ? 當(dāng)交界面兩側(cè)的阻抗不同時(shí)，以上四個(gè)關(guān)系不可能同時(shí)成立，這就說(shuō)明在交界面上必然有反射回發(fā)射端的電壓，以平衡交界面兩端不匹配的電壓和電流。 入射信號(hào)電壓 iV 向著分界面?zhèn)鞑?，而傳輸信?hào)電壓 tV 遠(yuǎn)離分界面而傳播，入射電壓穿越分界面時(shí)，產(chǎn)生反射電壓rV ，則有： tri VVV ?? 相應(yīng)的當(dāng)入射電流 iI 穿越分界面時(shí)，反射電流 rI 和傳輸電流 tI 的關(guān)系為： tri III ?? 按照歐姆定律，每個(gè)區(qū)域中的電壓與電流的關(guān)系為： 1/ ZIV ii ? ， 1/ ZIV rr ? ， 2/ ZIV tt ? 通過(guò)換算可以得到： 1212/ ZZ ZZVV ir ??? ，122*2/ ZZ ZVV it ?? 由此可以看出，縮小 1Z 和 2Z 的差值，有利于減小反射電壓，在實(shí)際運(yùn)用中，通過(guò)給傳輸線端接匹配阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在典型的數(shù)字系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗通常小于 PCB互聯(lián)信號(hào)線的特征阻抗，而 PCB互聯(lián)信號(hào)線的特征阻抗也總是小于接收器的輸入阻抗。這種阻抗的不連續(xù)性就會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)系統(tǒng)中信號(hào)反射的出現(xiàn)。 振鈴 效應(yīng) 由電路諧振產(chǎn)生的振鈴效應(yīng) 在研究由反射引起的振鈴效應(yīng)前，先討論由電路諧振引起的振鈴效應(yīng)。 在時(shí)鐘速度高達(dá) 10MHz的數(shù)字系統(tǒng)中，振鈴（ Ringing）現(xiàn)象是設(shè)計(jì)中的顯著問(wèn)題。傳導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)，在很大程度上取決于系統(tǒng)的尺寸是否小于信號(hào)中最快的電氣特性的有效長(zhǎng)度，反之亦然。電氣特性的有效長(zhǎng)度由它的持續(xù)時(shí)間和傳播延遲決定，即 l=Tr/D（ Tr =上升時(shí)間，ps； D=延遲， ps/in）。如果走線長(zhǎng)度小于有效長(zhǎng)度的 1/6，該電路表現(xiàn)為集總系統(tǒng)，如果系統(tǒng)對(duì)輸入脈沖的響應(yīng)是沿走線分布的，稱之為分布系統(tǒng)。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 圖 對(duì)于不同長(zhǎng)度的印制板布線，有不同的處理方法。一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)度小于 2英寸的走線的電氣特性更像集總參數(shù)的 LC電路；長(zhǎng)度大于 8英寸的走線的電氣特性更像分布參量的傳輸線電路。為了消除以振鈴噪聲，對(duì)于不同長(zhǎng)度的走線有不同的處理措施，這些措施和印制版走線的等效電路模型有關(guān)。 印制版的走線類似于諧振電路，由板上的銅鉑提供電感，負(fù)載提供電容，同時(shí)銅鉑依其長(zhǎng)度有分布電感存在。下圖即為其簡(jiǎn)化模型： 圖 在此模型中 C 為 Source 驅(qū)動(dòng) 源 的負(fù)載管腳的分布電容 ， 該電路模型為一 LC 諧振電路，如果其電感量為 L，電容為 C，則其諧振頻率為： LCf ?2 1? 振鈴噪聲大致正比于諧振周期和時(shí)鐘沿上升 /下降時(shí)間的比值。當(dāng)走線很短時(shí)，電感量和分布電容量都很小，這樣諧振頻率很高，諧振周期很短，振鈴的幅度亦很小。當(dāng)走線長(zhǎng)度增加時(shí)，電感量和分布電容量都加大，諧振周期變長(zhǎng)，振鈴幅度也加大，此時(shí)對(duì)電路的正常工作會(huì)產(chǎn)生較大的影響。如下圖所示 ： 圖 減小振鈴噪聲 的一種有效手段是在電路中串聯(lián)一個(gè)小電阻，此時(shí)電路模型變?yōu)橄聢D： 圖 顯然，該電阻為諧振 電路提供了阻尼，該阻尼電阻能顯著減小振鈴幅度，縮短振鈴震蕩時(shí)間，同時(shí)幾乎不影響電路速度。在