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高速FPGA的PCB設(shè)計(jì)指導(dǎo)-----不連續(xù)性

2015-04-23
關(guān)鍵詞: 高速電路板 TDR電壓圖 PCB

       傳輸路徑上的不連續(xù)性使信號遭受到破壞,。具有快速上升時(shí)間的信號與緩慢上升時(shí)間的信號相比,,其破壞性更大。因而,,高速電路板的設(shè)計(jì)需要仔細(xì)的規(guī)劃來避免與不連續(xù)性相關(guān)的問題,。本章就與傳輸路徑相關(guān)的感性和容性不連續(xù)進(jìn)行討論。

1.1 感性不連續(xù)

       圖9為兩個(gè)不同的SMA連接器的TDR電壓圖,,SMA連接器的一邊為50Ω,,另一邊為58Ω。由于在該區(qū)域電感的增加而導(dǎo)致曲線上升,。

上一章“時(shí)間域反射計(jì)”討論了TDR電壓圖以及如何計(jì)算圖9所示的不連續(xù)點(diǎn)的電感值,。

       圖9中的兩條曲線顯示了由于SMA連接器而產(chǎn)生的兩個(gè)不同的不連續(xù)性,。具有更高峰值的曲線表示連接器具有更大的感性不連續(xù)(3.8nH),具有更低峰值的曲線表示連接器具有更小的感性不連續(xù)(2.6nH),。你可以利用該圖來計(jì)算這兩條曲線的不連續(xù)點(diǎn)的電感,。

圖片52.png

圖9 SMA連接器的阻抗曲線

圖9中通過兩個(gè)SMA連接器傳輸?shù)男盘査俾蕿?.125Gbps,信號的上升時(shí)間大約為70ps,。

圖10為當(dāng)信號通過低電感SMA連接器時(shí)的開眼圖(eye-opening),。開眼大小為336mV,抖動(dòng)時(shí)間為20ps,。

圖片51.png

圖10 低電感SMA連接器的開眼圖以及它的放大視圖

從放大視圖(圖10)中可以更方便地讀出抖動(dòng)時(shí)間,,抖動(dòng)的峰峰值大約為20ps。

圖11為相同信號的開眼圖,,但這次該信號通過帶3.8nH感性不連續(xù)的SMA連接器,。開眼大小大約為332mV。比較這兩個(gè)圖可知,,圖11中的抖動(dòng)更大,。

從放大視圖(圖11)中可以更方便地讀出抖動(dòng)時(shí)間,抖動(dòng)的峰峰值大約為24ps,。

圖片50.png

圖11 高電感SMA連接器的開眼圖及其放大視圖

當(dāng)使用了錯(cuò)誤的連接器類型或傳輸路徑中含有其它形式的感性不連續(xù)時(shí),,抖動(dòng)時(shí)間變長,開眼變小,。對于具有快速上升時(shí)間的信號來說,,抖動(dòng)時(shí)間的增加是非常嚴(yán)重的問題。當(dāng)信號更加不規(guī)則時(shí),,抖動(dòng)也更顯著,。

1.2 容性不連續(xù)

本節(jié)我們討論容性不連續(xù)的影響,在傳輸路徑上引入元件時(shí)通常會(huì)發(fā)生這種情況,。

圖12中的兩個(gè)連接器為容性負(fù)載,,一個(gè)作為小的容性不連續(xù),另一個(gè)為更大的容性不連續(xù),。負(fù)載的電容量可以利用下面的等式來計(jì)算:

ρ=RC=(Z0C/2)

計(jì)算容性負(fù)載的詳細(xì)信息,,請參考“時(shí)間域反射計(jì)”。

3.125Gbps信號(PRBS形式)通過圖12中帶小電容的第一個(gè)連接器,,從另一端可以觀察到開眼大小和抖動(dòng),。

圖片49.png

圖12 小容性和大容性負(fù)載連接器,顯示容性不連續(xù)的影響

圖13為引入1.2pF不連續(xù)的連接器開眼圖,。開眼大小為330mV,。其放大視圖顯示抖動(dòng)峰峰值大約為27ps。

圖片48.png

圖13 小電容連接器開眼圖及其放大視圖

3.125Gbps信號以PRBS形式發(fā)送并通過圖12中帶大電容的第二個(gè)連接器,,從另一端可以觀察到開眼大小和抖動(dòng),。

圖14為信號通過帶2.9pF電容的SMA連接器的開眼圖,。開眼大小大約為280mV。其放大視圖顯示抖動(dòng)峰峰值為43ps,。

圖片47.png

圖14 大電容連接器的開眼圖及其放大視圖

任何時(shí)候應(yīng)該避免在傳輸路徑上添加連接器和元件,。但如果必需接連接器,那么選擇能夠在傳輸路徑上產(chǎn)生最小的電感和/或電容不連續(xù)性的連接器,。當(dāng)發(fā)射現(xiàn)象在通過2.9pF和1.2pF變得非常嚴(yán)重時(shí),,抖動(dòng)和振幅會(huì)影響3.125Gbps信號。開眼圖顯示振幅差值為50mV,,其放大視圖顯示抖動(dòng)峰峰值為16ps,。

1.3 與傳輸路徑相關(guān)的不連續(xù)

在這里我們將論述一些與傳輸路徑相關(guān)的不連續(xù),包括:

l 過孔

l 直角走線

1.3.1 過孔

在布線時(shí)應(yīng)盡可能避免過孔和電路板層的改變,。因?yàn)檫^孔將使邊沿變慢,,引起反射。過孔具有感性和容性,,但容性占主導(dǎo)地位,。如果在設(shè)計(jì)中使用差分信號,就需要有過孔,。而為了確保真實(shí)信號和補(bǔ)充信號經(jīng)歷相同的不連續(xù)性,對于差分對中的每個(gè)信號,,過孔必須具有相同的配置,。這樣,,過孔引入的不連續(xù)在信號上的任何變化都處于共模狀態(tài)。差分模式的不連續(xù)性在動(dòng)態(tài)范圍上將減小,。

與過孔相比,,盲孔更貴,,更小,,不連續(xù)性也更低,。盲孔不完全穿透PCB,,它是為減小過孔的不連續(xù)性而設(shè)計(jì)的。在使用過孔時(shí)為獲得更好的性能,,可以在傳輸線上串聯(lián)使用過孔。未使用的過孔部分就好像是一個(gè)容性stub,。

圖15為一個(gè)18層的電路板,。層1,3和16是信號層,,將線從層1布到層16,而不通過層3,。如果你將線停在層3,,則未使用的過孔部分就好像是一個(gè)容性stub,。

圖片46.png

圖15 帶stub的18層電路板

當(dāng)電路板設(shè)計(jì)具有以下特性時(shí),,過孔上的容性stub的影響會(huì)更顯著:

l 信號速度更高

l 電路板更厚

l 不必要的過孔焊盤(via pads)

對于3.125Gbps信號,,93mil厚的電路板與具有相同頻率的200mil厚的電路板相比,,帶有的容性stub的影響更小,。因而,,過孔影響過厚的電路板的信號完整性(速率為3.125Gbps),。

如果可以,,應(yīng)避免過孔和過孔stub,并移除過孔上所有不必要的焊盤,,因?yàn)楹副P會(huì)在相互間產(chǎn)生平行的板極電容,。在設(shè)計(jì)一個(gè)100mil厚度的電路板時(shí),,對于3.125Gbps的信號,,鉆孔時(shí)不需要使用平頭鉆(counter-bore),,但對于超過100mil厚度的電路板,,最好是使用平頭鉆。

傳輸線上的電流流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場,。磁通線(flux line)在參考結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生一個(gè)返回電流,。當(dāng)傳輸線面對參考平面達(dá)最寬時(shí),,大部分返回電流在傳輸線的下面,,參考平面的趨膚深度(skin depth)平面上傳輸,。

趨膚深度由下列公式計(jì)算:

趨膚深度=1/

這里:

f為頻率

為空氣的磁導(dǎo)率

為相對磁導(dǎo)率

σ為χoνδυχτιωιτψo(hù)Φματεριаλ

你可以利用下列公式計(jì)算參考平面上任意點(diǎn)x的電流密度:

Ix=

Ix為x點(diǎn)的電流密度

I0為趨膚深度上的電流密度

x為到平面的距離

d0為趨膚深度

在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該提供一個(gè)良好的返回電流路徑,。圖16為一對差分信號(紅色和綠色結(jié)構(gòu)),其電路板層從層1變到層13,,信號從A點(diǎn)開始(圖16),傳輸?shù)紹點(diǎn)(圖18)。

圖16到18為提供給信號線的固體參考平面(即淺藍(lán)色結(jié)構(gòu)),。

如果有必要的話可以建立接地島(GND island),。在建立接地島時(shí),,確保參考該平面的其它信號不要通過這個(gè)裂口,,如果信號忽略了這個(gè)裂口,,其環(huán)路將增加,這個(gè)區(qū)域的電感也會(huì)增加,。

圖片45.png

圖16 電路板層改變

對于電路板層發(fā)生改變的點(diǎn),我們在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該為返回電流路徑提供接地過孔,。如果返回路徑?jīng)]有接地過孔,,返回電流將尋找最近的路徑,但這些路徑可能不是足夠近的。在此情況下,,電流經(jīng)過較長路徑,,增加了電流回路,。由于穿過回路的磁通線的數(shù)量增加,,從而使得電感也增加,。圖16中只顯示了兩個(gè)過孔,但最好在信號過孔周圍有更多個(gè)過孔,。

圖17是圖16的側(cè)視圖,。信號從層1傳輸?shù)綄?3,。每一層都有過孔焊盤,。在焊盤之間有平行的板極電容,因此不必要的焊盤會(huì)增加容性負(fù)載,。除了直接將過孔與傳輸線相連的焊盤外,其它焊盤都應(yīng)該去除,。

圖片44.png

圖17 電路板層改變的側(cè)視圖

在圖18中,,用接地島來提供一個(gè)良好的信號參考路徑,。接地過孔(即淺藍(lán)色結(jié)構(gòu))用來避免過多的不連續(xù)。

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圖18 到點(diǎn)B的傳輸路徑

圖18中的PCB沒有足夠的接地過孔,,所以應(yīng)該在信號過孔周圍添加一些接地過孔,使它在兩條信號線周圍均勻地分布,。在圖18中,只有一邊差分對有靠近它的接地過孔,。

圖19為一個(gè)TDR制圖,該圖中含有StratixTMGX開發(fā)板(板厚93mil)上的一個(gè)實(shí)例過孔,。該過孔為0.7pF的容性不連續(xù),,它將18層電路板的層1和層13上的兩條傳輸線連接起來。

圖片42.png

圖19 在93mil厚的電路板上,,由于過孔產(chǎn)生的容性不連續(xù)

1.3.2 直角走線

為降低傳輸線上的阻抗不連續(xù)性,,應(yīng)避免使用直角走線,。在彎曲點(diǎn),,有效傳輸線的線寬增加,從而增加了電容量,,引起阻抗不連續(xù),。

使用45°走線代替90°走線,。45°彎曲可以通過降低阻抗不連續(xù)性來減小信號上的反射。

直角走線還具有天線特性,。圖20為一條60mil的50Ω傳輸線,電介質(zhì)為FR4(εr為4.1,,損耗因素為0.022),。該傳輸線的90°和45°走線(見圖21)使用SPICE模型來模擬,其寄生電容利用3D電磁場解算器(field solver)來提取,。

圖片40.png

圖20傳輸線上的90°彎曲

圖片41.png

圖21傳輸線上的45°彎曲


圖22顯示了電路板的交叉部分,。

圖片37.png 

圖22 電路板交叉部分

具有1ns上升時(shí)間的信號從線路的一邊輸入,從另一端點(diǎn)查看其輸出,。由于存在額外的容性負(fù)載,,90°走線時(shí),,信號輸出稍有些延遲并有嚴(yán)重的振鈴(ringing)。當(dāng)信號通過長線或在其它緊迫條件下驅(qū)動(dòng)時(shí),,即使是稍有一點(diǎn)振鈴也是很有破壞性的,。例如,對一個(gè)幾乎關(guān)閉的眼睛進(jìn)一步加以關(guān)閉將導(dǎo)致接收器不能識別某些數(shù)據(jù)位(接收器對數(shù)據(jù)的靈敏度可以從特征報(bào)告中獲得),。90°彎曲將影響速率為3.125Gbps的信號,,甚至更嚴(yán)重。圖23顯示了彎曲走線在信號上的影響,。

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圖23 彎曲走線在信號上的影響

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