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-- 發(fā)布時(shí)間：2010-11-30 9:30:43
-- 高速串行差分信號(hào)的PCB設(shè)計(jì)與仿真
關(guān)鍵詞：LVDS，PCB設(shè)計(jì)，仿真，信號(hào)完整性
一、
前言隨著近幾年對(duì)速率的要求快速提高，新的總線協(xié)議不斷的提出更高的速率。傳統(tǒng)的總線協(xié)議已經(jīng)不能夠滿足要求了。串行總線由于更好的抗干擾性，和更少的信號(hào)線，更高的速率獲得了眾多設(shè)計(jì)者的青睞。而串行總線又尤以差分信號(hào)的方式為最多。而在我們的項(xiàng)目中的PCI- Express串行信號(hào)線正采用了LVDS技術(shù)。所以以下的敘述中都以串行信號(hào)中LVDS信號(hào)為代表講述。 二、
串行LVDS信號(hào)的PCB設(shè)計(jì)1.
差分信號(hào)的概念和優(yōu)點(diǎn)差分信號(hào)（Differential Signal）在高速電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號(hào)往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。何為差分信號(hào)？通俗地說，就是驅(qū)動(dòng)端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào)，接收端通過比較這兩個(gè)電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”，而承載差分信號(hào)的那一對(duì)走線就稱為差分走線。差分信號(hào)與普通的單端信號(hào)走線相比，最明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）抗干擾能力強(qiáng)。因?yàn)閮筛罘肿呔�之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。（2）能有效抑制EMI。由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場可以相互抵消。耦合的越緊密，互相抵消的磁力線就越多。泄露到外界的電磁能量越少。（3）時(shí)序定位精確。由于差分信號(hào)的開關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閥值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。 2.
LVDS信號(hào)在PCB上的設(shè)計(jì)要點(diǎn)LVDS信號(hào)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信以及消費(fèi)電子領(lǐng)域，并被以PCI-Express為代表的第三代I/O標(biāo)準(zhǔn)中采用，而在我們的項(xiàng)目中PCI-Express信號(hào)正是采用的是LVDS信號(hào)。LVDS信號(hào)不僅是差分信號(hào)，而且還是高速數(shù)字信號(hào)。因此LVDS傳輸媒質(zhì)不管使用的是PCB線還是電纜，都必須采取措施防止信號(hào)在媒質(zhì)終端發(fā)生反射，同時(shí)應(yīng)減少電磁干擾以保證信號(hào)的完整性。只要我們?cè)诓季�時(shí)考慮到以上這些要素，設(shè)計(jì)高速差分線路板并不很困難。下面簡要介紹LVDS信號(hào)在PCB上的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：
2.1布成多層板有LVDS信號(hào)的電路板一般都要布成多層板。由于LVDS信號(hào)屬于高速信號(hào)，與其相鄰的層應(yīng)為地層，對(duì)LVDS信號(hào)進(jìn)行屏蔽防止干擾。對(duì)于密度不是很大的板子，在物理空間條件允許的情況下，最好將LVDS信號(hào)與其它信號(hào)分別放在不同的層。例如，在四層板中，通常可以按以下進(jìn)行布層：LVDS信號(hào)層、地層、電源層、其它信號(hào)層。
2.2 LVDS信號(hào)阻抗計(jì)算與控制。LVDS信號(hào)的電壓擺幅只有350mV,適于電流驅(qū)動(dòng)的差分信號(hào)方式工作。為了確保信號(hào)在傳輸線當(dāng)中傳播時(shí)不受反射信號(hào)的影響，LVDS信號(hào)要求傳輸線阻抗受控，通常差分阻抗為100 +/-10Ω。阻抗控制的好壞直接影響信號(hào)完整性及延遲。如何對(duì)其進(jìn)行阻抗控制呢？（1）確定走線模式、參數(shù)及阻抗計(jì)算。LVDS分外層微帶線差分模式和內(nèi)層帶狀線差分模式。阻抗可以通過合理設(shè)置參數(shù)，利用相關(guān)軟件計(jì)算得出。通過計(jì)算，阻抗值與絕緣層厚度成正比，與介電常數(shù)、導(dǎo)線的厚度及寬度成反比。（2）走平行等距線及緊耦合原則。確定走線線寬及間距后，在走線時(shí)嚴(yán)格按照計(jì)算出的線寬和間距，兩線的間距要一直保持不變，也就是要保持平行（可以放圖）。同時(shí)在計(jì)算線寬和間距時(shí)最好遵守緊耦合的原則，也就是差分對(duì)線間距小于或等于線寬。當(dāng)兩條差分信號(hào)線距離很近時(shí)，電流傳輸方向相反，其磁場相互抵消，電場相互耦合，電磁輻射也要小得多。而且要兩條線走在同一層，避免分層走線。因?yàn)樵赑CB板的實(shí)際加工過程中，由于層疊之間的層壓對(duì)精確度大大低于同層蝕刻精度，以及層壓過程中的介質(zhì)流失，不能保證差分線的間距等于層間介質(zhì)厚度，會(huì)造成層間差分對(duì)的差分阻抗變化。(3)走短線、直線。為確保信號(hào)的質(zhì)量，LVDS差分對(duì)走線應(yīng)該盡可能地短而直，減少布線中的過孔數(shù)，避免差分對(duì)布線太長，出現(xiàn)太多的拐彎，拐彎處盡量用45°或弧線，避免90°拐彎。
2.3不同差分線對(duì)間處理LVDS對(duì)走線方式的選擇沒有限制，微帶線和和帶狀線均可，但是必須注意要有良好的參考平面。對(duì)不同差分線之間的間距要求間隔不能太小，至少應(yīng)大于3-5倍差分線間距。必要時(shí)在不同差分線對(duì)之間加地孔隔離以防止相互間的串?dāng)_。LVDS信號(hào)盡量遠(yuǎn)離其它信號(hào)。LVDS差分信號(hào)不可以跨平面分割。盡管兩根差分信號(hào)互為回流路徑，跨分割不會(huì)割斷信號(hào)的回流，但是跨分割部分的傳輸線會(huì)因?yàn)槿鄙賲⒖计矫娑鴮?dǎo)致阻抗的不連續(xù)（如圖所示，其中GND1、GND2為LVDS相鄰的地平面）。
圖1：差分對(duì)線
接收端的匹配電阻的布局。對(duì)接收端的匹配電阻到接收管腳的距離要盡量靠近。同時(shí)匹配電阻的精度要控制。對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)的拓?fù)洌呔�的阻抗通常控制在100Ω,但匹配電阻可以根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行調(diào)整。電阻的精確度最好是1％-2％。因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)，10％的阻抗不匹配就會(huì)產(chǎn)生5％的反射。 三、串行LVDS信號(hào)的仿真分析以上分析了LVDS信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的事項(xiàng)，雖然在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候一般都會(huì)遵守以上的規(guī)則進(jìn)行，但是為了能夠提高設(shè)計(jì)的正確性和準(zhǔn)確行必須對(duì)PCB進(jìn)行信號(hào)完整行仿真，通過仿真得到信號(hào)的串?dāng)_、延時(shí)、反射和眼圖波形，從而達(dá)到設(shè)計(jì)即正確的目標(biāo)。信號(hào)完整性問題的仿真流程是先建立元器件的仿真模型，然后進(jìn)行前仿真確定布線過程的參數(shù)和約束條件，物理實(shí)現(xiàn)階段按照約束條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行后仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求。在整個(gè)流程中模型的精確性直接影響仿真的結(jié)果，而在前仿真和后仿真階段用到的仿真分析方法對(duì)于仿真結(jié)果同樣至關(guān)重要，而在本設(shè)計(jì)中采用了精確度較高的spice模型。下面結(jié)合實(shí)際的項(xiàng)目來說明仿真在本設(shè)計(jì)的實(shí)施過程。 3.1.
PCB疊層設(shè)置由上面的分析知道，PCB板的疊層設(shè)置和信號(hào)的耦合以及阻抗計(jì)算都有著密切的關(guān)系，所以在開始PCB設(shè)計(jì)之前必須進(jìn)行疊層設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行信號(hào)的阻抗計(jì)算。在本設(shè)計(jì)中的疊層設(shè)計(jì)見下圖：
圖2：疊層設(shè)計(jì)
由于PCB密度較高，本設(shè)計(jì)采用10層板的疊層結(jié)構(gòu)，經(jīng)過合理的安排疊層厚度，通過allegro計(jì)算，表面微帶和內(nèi)層帶狀線的差分線在線寬6㏕線間距6㏕時(shí)，阻抗理論計(jì)算值分別為100.1和98.8Ω。符合阻抗控制要求。 3.2.
設(shè)置直流電壓值這一步驟主要是為某些特定的網(wǎng)絡(luò)（一般是電源地等）指定其直流電壓值，確定DC電壓加在網(wǎng)絡(luò)上，執(zhí)行EMI仿真需要確定一個(gè)或多個(gè)電壓源管腳，這些電壓值包涵了模型在仿真過程中使用的參考電壓信息。 3.3.
器件設(shè)置
在allegro仿真的時(shí)候allegro會(huì)把器件分成三大類：IC、連接器和分立器件（電阻電容等），allegro會(huì)依據(jù)器件類型來給器件的管腳分配仿真屬性，分立器件和連接器的管腳屬性為UPSPEC，而IC的管腳屬性可以為IN、OUT和BI等。
3.4.
模型分配
在板級(jí)高速PCB仿真過程中主要用要的模型有器件模型和傳輸線模型。器件模型一般是由器件生產(chǎn)廠家提供的。在高速串行信號(hào)中，我們采用的是精度更高的SPICE模型來進(jìn)行仿真分析。傳輸線模型則是通過仿真軟件建模形成的。信號(hào)在傳輸時(shí)，傳輸線會(huì)使得信號(hào)完整性問題突出，因此仿真軟件對(duì)傳輸線精確建模的能力直接影響仿真結(jié)果。
圖3：差分對(duì)線模型b:帶狀線
c: 微帶線
而信號(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。實(shí)際的傳輸線模型由無數(shù)個(gè)短線段組成，短線段的長度趨于零。
關(guān)于傳輸線的模型是allegro自動(dòng)分配的。仿真的時(shí)候主要是分配器件模型。 3.5.
SI檢查SI Audit功能是用來檢查某一個(gè)特殊的網(wǎng)絡(luò)或者一群網(wǎng)絡(luò)是否能夠被提取出來進(jìn)行分析，一般就是設(shè)置我們需要關(guān)注的高速網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計(jì)主要關(guān)注LVDS串行信號(hào)。 3.6.
提取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/font>從PCB中提取待關(guān)注信號(hào)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般包括驅(qū)動(dòng)端和接收端，以及傳輸線和相關(guān)的匹配電阻電容等，可以從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中看出該網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過那些路徑，那些會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸造成影響。本文僅以其中一個(gè)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D為例：
如圖4所示：
圖：4 差分對(duì)線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/font> 3.7.
查看波形以上的相關(guān)步驟設(shè)置好以后就可以進(jìn)行仿真了，allegro可以進(jìn)行信號(hào)的反射仿真、串?dāng)_仿真，差分線還要進(jìn)行眼圖分析。當(dāng)然仿真也分前仿真和后仿真，在利用allegro進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候還需要結(jié)合仿真的結(jié)果實(shí)時(shí)的對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改以達(dá)到符合要求的目的。由于仿真過程復(fù)雜，步驟繁瑣，在此不一一進(jìn)行描述， 差分對(duì)的布線有兩點(diǎn)要注意，一是兩條線的長度要盡量一樣長，等長是為了保證兩個(gè)差分信號(hào)時(shí)刻保持相反極性，減少共模分量。另一是兩線的間距(此間距由差分阻抗決定)要一直保持不變，也就是要保持平行。平行的方式有兩種，一為兩條線走在同一走線層(side-by-side)，一為兩條線走在上下相鄰兩層(over-under)。一般以前者side-by-side 實(shí)現(xiàn)的方式較多。等距則主要是為了保證兩者差分阻抗一致，減少反射。對(duì)差分對(duì)的布線方式應(yīng)該要適當(dāng)?shù)目拷移叫小Ｋ^適當(dāng)?shù)目拷且驗(yàn)檫@間距會(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)。需要平行也是因?yàn)橐３植罘肿杩?/font>的一致性。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)。從仿真的S參數(shù)曲線圖可以分析差分對(duì)的差分阻抗(differential impedance)，以及信號(hào)完整性。下面給出本設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵信號(hào)仿真波形以供加以說明。
從仿真圖例圖5看到，S11在0-3.0GHz 的頻域范圍內(nèi)其最劣化的指標(biāo)為：-16.770db以下 ,S22（粉紅色的曲線）也不劣于-17db。 這說明該差分對(duì)的差分阻抗(differential impedance)接近設(shè)計(jì)指標(biāo)，信號(hào)完整性得到了保證。