在高速数字电路设计中,保持信号完整性对于实现可靠的数据传输至关重要,最普遍和破坏性的问题包括信号反射——当信号遇到多氯联苯痕迹的阻断性不连续时,信号部分回弹。左侧不动的反射会导致振铃、过度射击、下射和电磁干扰增加,最终导致位差错误和系统故障。随着钟表频率的上升和边缘率的提高,甚至几毫米不匹配都可能降低性能。本文详细介绍了反射物理,并提出了经过验证的实用技术,以在整个多氯联苯设计过程中将其降到最低。

理解信号反射

当信号的上升时间比微量线的传播延迟时间短时(通常在微量线长度超过信号电长的十分之一时),多氯联苯微量线就是一种传输线。在这种情况下,信号的电压和电流在微量线及其返回路径的引导下作为电磁波传播。这种波的瞬间阻力是微量线的特性阻力(Z0),这种阻力由几何和物质特性决定。当波遇到不连续性时,即Z0的变化,在交汇点、通过连接器、或负载时,反射电压的大小由反射率=(Z 负载==(Z 负载+Z0)/(Z+负载=0)给出。一个完全匹配的输出值=0;一个开放或短的==1,将全波回射。

反射导致线上具有建设性和破坏性的干扰,产生扭曲的信号波形,从而可能违反时间预算和逻辑阈值。 阻碍断层的常见来源包括微量宽度变化、层层过渡(通过),锐弯、断柱和终止不足。 理解这些原因是系统缓解的第一步。

尽量减少信号反射的关键技术

1. 通过受控设计进行障碍匹配

最基本的技术是设计每条传输线,其特性阻力与源阻力(通常是驱动器输出阻力)和负载阻力相匹配。控制阻力设计需要仔细选择微量的阻力、铜厚、二重高度和材料的二重常数(Dk )。对于单限的阻力,共同的目标阻力是50(R和一般高速)、55(55)或75(75),取决于标准。不同对齐的目标是90(90)或100(100)差分的阻力。

使用一个字段解析器或阻塞计算器(例如Altium Designer、Cadence Allegro或极线 SI900)来计算多氯联苯堆叠层的阻塞限制和耐受性。在粘合图上进行粘合控制,并需要从板屋进行复刻测试。注意铜质粗糙度和焊接罩,它可以将 Z0 降低 1 – 3 。对于高速设计,请避免在以距离分隔的多个地面平面上设置粘合的痕迹;确保连续的、与微量直接相邻的实心参照平面。

外部链接: Texas仪器:传输线反射[和 铝:受控障碍PCB设计[.

2. 适当的终止战略

终止电阻器吸收了在负载或源头上会反射的信号能量。 终止电势的选取取决于信号类型、动力散射和计时要求。

  • 串行终止 : [[FLT: 1]] 在源头、 驱动器和跟踪之间放置一个阻断器( R s), 其值等于 Z0 − R 驱动器的阻断输出。 这与源头匹配, 防止了第一次反射。 负载在往返延迟后仍然看到一个全速信号。 适合点对点、 低功率的阻断连接。 常见值 : 22 – 33 堆积在序列中, 共 50 。
  • Paallel(pull-up/pull-down)终止:在负载上放置一个阻力器到地面或V tt(终止电压),值等于Z0. 简单但消耗DC的功率,经常用于DDR数据线等单限客车.
  • Thevenin 终止: 两个阻力器(R1到V tt,R2到地面),在建立偏移电压的同时,呈现一个平行的阻力等于Z0. 常见于LVCMOS和SSTL接口.
  • AC终止: 装货时带有平行电阻器的电容器连续通过DC,同时终止高频。用于降低DC的功耗。

在设计阶段选择终止,并用IBIS模拟来验证. 对于双向总线,考虑动态终止(例如DDR内存中的ODT).

外部链接: 最大集成:高频数字信号的终止技术.

3. 控制追踪路线

物理布局直接影响障碍一致性。

  • 避免阻碍断续性: 在整个长度上保持微量宽度不变,任何变化——即使是从一个通道或测试台上——都会产生反射,如果宽度调整是不可避免的,则使用渐进式摄像头(长度 > 3×宽度变化)来平稳地进行阻断过渡.
  • 最小化的支线: 支线是主支线的短短的支线;它起到共振断裂的作用. 路线关键信号没有支线,或者将支线长度保持在信号上升时间电长的1/10以下. 对于T支线地形(如时钟分布),使用小心的阻断补偿或主动缓冲.
  • 平面弯道: 使用45°的阴间弯道或圆弧而不是90°的弯道. 右角弯道增加电容,并造成瞬间阻力下降;它们也产生耦合. 对于极高速(XQ10 Gbps),使用密角弯道来补偿电容.
  • 管理途径: 每个通过引入电容(pad-to-plane)和导管(barrel). 最小反射,使用较小的反板,通过支架长度(后钻未使用的部分)减小,通过信号的邻近位置放置地面,以提供低阻力回路. 对于差分信号,通过对称保持.
  • 保持一致的间隔以返回飞机: 避免在分裂或位错的地面区域上绕行。如果跨越一个分裂是不可避免的,则添加缝合电容器。

4. 不同信号

差异对子通过取消常见模式反射和噪音来本质上提高信号完整性。差异阻滞由两个痕迹之间的间隔和耦合决定。为了最小化差对子的反射:

  • 在整个路线上保持恒定的间隙(s)和宽度(w),即使小的变异(例如在连接器垫上)也会降低阻力。
  • 将长度匹配保持在紧容度(典型的为% 5 ps skew)内,以避免常见模式转换,这会产生意想不到的反射.
  • 使用控制性跨螺旋间距以避免交叉对讲,但确保跨螺旋间距一致以控制阻力.
  • 以差分方式终止(单抗体R diff = Z diff在两个痕迹之间)或根据标准(如LVDS,HDMI,USB),用第三抗体进行分解终止.
  • 避免在差对中90°弯曲;使用对称的密纹弯曲使两腿保持等长,并保持阻力.

外部链接: 英特尔:差分对等的跑步和终止.

5. 电力输送和返回路径优化

阻断断经常源于中断的返回路径。在高频,信号返回电流直接流在参考平面上的信号微量下。如果参考平面有缺口、插槽或分裂,电流必须绕道,增加环线导线并创建反射。通过使用专用地面平面(在高速跟踪下不分裂),确保连续、低阻断返回路径。对于层层过渡,通过信号附近的缝线地面设置,以保持一个短的返回循环。同时使用多个通道减少导线。

此外,动力完整性会影响信号完整性。 过度的动力轨噪声会连成信号线,导致时间紧张和反射式文物。 将动力分配网络(PDN)与适当的电容器和飞机脱钩,以保持低频阻断,同时降低频率范围。

模拟和验证

即使有严格的设计准则,复杂的多层多氯联苯也受益于预放和后放电模拟. 使用时间域反射模拟(或原型上的实际TDR测量)来识别阻断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断断

关键模拟步骤:

  • 使用2D/3D字段解析器从布局中提取痕量 S参数.
  • 插入理想且真实的终止,以验证振幅和时差.
  • 检查对口引发的反射——来自相邻侵略者的噪音加在一起,可以显示为反射能量.
  • 进行蒙特卡洛分析,以计算制造耐受度,如微量宽度、电磁厚度和电阻系数。

结论

将信号反射最小化在高速数字多氯联苯痕迹中需要一种整体方法:控制障碍设计、适当的终止、有纪律的路由、差分信号和细致的返回路径管理。 每一种技术都补充了其他技术;忽视一个技术往往在别处造成问题。 通过将这些实践纳入早期设计阶段(通过模拟验证),工程师可以实现干净的信号过渡、强健的位差错率和以千兆节速度的可靠系统性能。 随着数据率不断攀升,掌握反射控制仍然是每个高速数字设计师的核心能力。