0 引言

    隨著芯片生產(chǎn)工藝的改進(jìn),，信號(hào)的上升時(shí)間越來(lái)越短,，信號(hào)中包含的高頻成分就越多，高頻分量和通道間相互作用就可能產(chǎn)生嚴(yán)重的信號(hào)完整性問(wèn)題,。如果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中能盡早確定和消除信號(hào)完整性問(wèn)題,，產(chǎn)品的研制效率就可大大提升。

    信號(hào)沿互連線傳播時(shí)受到的瞬時(shí)阻抗發(fā)生變化時(shí),，一部分信號(hào)將被反射,，另一部分發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去，這一原理正是單一線網(wǎng)中多數(shù)信號(hào)完整性問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因,。只要信號(hào)遇到瞬態(tài)阻抗突變,，就會(huì)發(fā)生發(fā)射使信號(hào)質(zhì)量下降，一旦超出噪聲容限就會(huì)造成誤觸發(fā),。

    保持互連傳輸線阻抗恒定,、進(jìn)行端接匹配、優(yōu)化拓?fù)?/a>結(jié)構(gòu)等措施均是為了得到更優(yōu)的信號(hào)質(zhì)量,。文中對(duì)信號(hào)反射問(wèn)題進(jìn)行了理論分析,，提出信號(hào)反射噪聲的改善方法，并結(jié)合工程案例進(jìn)行了信號(hào)完整性仿真驗(yàn)證,。

1 信號(hào)反射的形成

1.1 信號(hào)反射形成機(jī)理

    信號(hào)沿傳輸線傳輸時(shí),，其路徑上每一處的瞬態(tài)阻抗發(fā)生改變時(shí)，一部分信號(hào)將被反射,，另一部分信號(hào)將繼續(xù)向前傳輸,。反射的信號(hào)量由瞬態(tài)阻抗的變化量決定。瞬態(tài)阻抗發(fā)生改變的地方稱(chēng)為阻抗突變點(diǎn),，即為圖1中區(qū)域1和區(qū)域2的交界面,。其中，Z₁表示信號(hào)最初所在區(qū)域的瞬態(tài)阻抗,，Z₂表示信號(hào)進(jìn)入?yún)^(qū)域的瞬態(tài)阻抗^[1],。

    在阻抗突變處,，電壓和電流連續(xù),，即滿足：

    無(wú)論是發(fā)送端還是接收端，最終得到的波形都是入射波形和反射波形疊加的結(jié)果,。

1.2 傳輸線不連續(xù)結(jié)構(gòu)及阻抗突變測(cè)試TDR

    阻抗突變也就是瞬態(tài)阻抗不連續(xù),。高速電路的不連續(xù)結(jié)構(gòu)很常見(jiàn)，主要是互連線中的封裝引線,、輸入門(mén)電容,、信號(hào)層間的過(guò)孔、拐角,、樁線,、分支、測(cè)試焊盤(pán)、返回路徑上的間隙,、過(guò)孔區(qū)域中的頸狀,、線交叉、連接件等,。

    TDR(Time Domain Reflectometry)測(cè)試,，是測(cè)量高速信號(hào)在傳輸線上的時(shí)域反射狀況，來(lái)判斷傳輸線阻抗特性的技術(shù),。TDR包括一個(gè)階躍脈沖發(fā)生器和一個(gè)高速采樣器,，其示意如圖2所示^[2]。

    因?yàn)槿肷涞碾A躍脈沖的幅度是已知的,，所以只要測(cè)量反射階躍脈沖的幅度,，就可以找出反射系數(shù)ρ，若儀器的輸出阻抗Z₀是已知的,，就可以計(jì)算反射點(diǎn)的阻抗值Z,，阻抗計(jì)算公式為：

    計(jì)算原理如圖3所示，測(cè)試出的TDR阻抗曲線如圖4所示,。

1.3 信號(hào)反射的幾種典型波形

    信號(hào)反射典型的波形有：信號(hào)的振鈴現(xiàn)象,，如圖5所示；信號(hào)邊沿存在臺(tái)階的波形,，如圖6所示,；信號(hào)邊沿存在回溝的波形，如圖7所示,。

2 消除反射的措施

    消除反射的措施通常有：使導(dǎo)體的長(zhǎng)度短于上升時(shí)間的傳輸長(zhǎng)度,、更改傳輸內(nèi)部的不連續(xù)結(jié)構(gòu)、端接匹配,、優(yōu)化布線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等,。

2.1 使導(dǎo)體的長(zhǎng)度短于上升時(shí)間的傳輸長(zhǎng)度

    反射的影響與傳輸線的長(zhǎng)度、信號(hào)上升下降沿有很大關(guān)系,。一般要求T_D(T_D為信號(hào)源端到終端的傳輸延遲)應(yīng)小于信號(hào)脈沖邊沿上升時(shí)間的20%,，這樣雖然信號(hào)到達(dá)負(fù)載端時(shí)產(chǎn)生了反射，但此時(shí)源端的信號(hào)正處于上升階段,，這樣反射會(huì)在信號(hào)緩慢的上升過(guò)程中被吸收掉,，從而不會(huì)影響信號(hào)電平的幅值，此時(shí)不需要進(jìn)行端接匹配,。

    其對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)法則為：為了避免出現(xiàn)反射問(wèn)題,，不需要端接的傳輸線的長(zhǎng)度滿足^[1]：

其中，L_max為傳輸線的最大長(zhǎng)度(單位inch),，基底材料FR4,。RT為信號(hào)脈沖邊沿上升時(shí)間(單位ns),。

    圖8是發(fā)送端和接收端器件均一致，僅傳輸線長(zhǎng)度不同時(shí),，接收端波形仿真對(duì)比,，可見(jiàn)傳輸線長(zhǎng)度大于RT時(shí)，反射會(huì)有明顯影響,。

    實(shí)際工程中,，不同性質(zhì)的信號(hào)容忍的反射噪聲不同，并且往往走線較長(zhǎng),，此時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況決定是否需要進(jìn)行端接,。

2.2 更改傳輸內(nèi)部的不連續(xù)結(jié)構(gòu)

    通過(guò)使用可控阻抗互連線、布線采用多分支最小影響的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),、優(yōu)化過(guò)孔形狀,、優(yōu)化連接器形狀、最小化幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性等方法使阻抗連續(xù),。

2.3 消除反射的端接方案

    在信號(hào)的發(fā)送端或接收端進(jìn)行端接匹配,，消除一次反射或二次反射，從而使得源端或負(fù)載端反射系數(shù)為零,。

    當(dāng)傳輸線的源端設(shè)計(jì)成與傳輸線的特征阻抗匹配時(shí),，稱(chēng)為源端匹配，使傳輸線由于遠(yuǎn)端阻抗不連續(xù)引起的反射在源端被消除,，當(dāng)反射到達(dá)源時(shí),，反射系數(shù)為0。如果端接電阻放在線的負(fù)載端,，則稱(chēng)之為終端匹配,，此時(shí)負(fù)載端的反射系數(shù)是0。終端匹配有并聯(lián)匹配(上拉或下拉電阻進(jìn)行匹配),、戴維南匹配,、RC網(wǎng)絡(luò)匹配(并行AC端接)、二極管匹配等,。下面就應(yīng)用較為廣泛且效果優(yōu)良的源端端接,、RC網(wǎng)絡(luò)匹配以及主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采取的匹配端接方法進(jìn)行討論及仿真驗(yàn)證。

2.3.1 源端端接

    源端端接主要是串行端接方法,，串行端接是通過(guò)在盡量靠近源端的位置串行插入一個(gè)電阻R_T(典型值為10 Ω到75 Ω),，使得輸出端緩沖器阻抗(R_D)與串聯(lián)阻抗(R_T)之和大于或等于線的特征阻抗(Z₀),，即設(shè)計(jì)成輕微的過(guò)阻尼^[2],。

    這種策略通過(guò)使源端反射系數(shù)為零從而吸收從負(fù)載反射回的信號(hào)。源端端接示意圖如圖9所示,。

    串行端接優(yōu)點(diǎn)：每條線只需要一個(gè)端接電阻,，可使阻尼振蕩和反射效應(yīng)減至最小,。缺點(diǎn)：當(dāng)信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)換時(shí)，源端信號(hào)會(huì)表現(xiàn)為半波幅度臺(tái)階架形狀,，這種半波幅度的信號(hào)沿傳輸線傳播至負(fù)載端,，又從負(fù)載端反射回源端，持續(xù)時(shí)間為2T_D,。不管怎樣,，影響緩沖器阻抗的因素有硅制造工藝變量、電壓,、溫度,、功率傳導(dǎo)因素、同時(shí)轉(zhuǎn)換噪聲等,，這些變量使得很難保證緩沖器與線阻抗匹配^[3],。

    當(dāng)在終端上存在集總線型負(fù)載或單一元件時(shí)，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，且接收端波形表現(xiàn)形式是振鈴過(guò)沖波形時(shí),，通常采用源端的這種串聯(lián)端接方法可高效解決問(wèn)題。反之信號(hào)沿表現(xiàn)形式為臺(tái)階,、回溝,、上升沿高頻能量較低等波形，或者驅(qū)動(dòng)分布負(fù)載時(shí),，通常該源端串聯(lián)終端不能很好地解決問(wèn)題,。

    圖10為采用源端端接后，某接收端波形明顯改善的前后對(duì)比仿真圖,。

2.3.2 并行AC端接

    并行AC端接采用在負(fù)載端接一個(gè)并聯(lián)電阻和隔離電容,，如圖11所示。

    采用并行AC端接,，電容切斷了直流通路,，消除了直流功耗。同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生其他并聯(lián)端接方式中高電平被拉低或低電平被抬高的現(xiàn)象,，并能衰減信號(hào)中的高頻噪聲^[4],。AC端接要求鏈路上傳輸?shù)氖侵绷髌胶庑盘?hào)(比如時(shí)鐘信號(hào)、8B10B信號(hào)等),，不適合突發(fā)模式的數(shù)據(jù)傳輸,。

    工程中阻容值的選擇，需要根據(jù)波形振鈴的振蕩頻率進(jìn)行分析,，其原理類(lèi)似于設(shè)計(jì)一個(gè)帶阻濾波器,，設(shè)置該AC端接RC電路的阻帶中心頻率：  

使得有用信號(hào)能夠無(wú)衰減地通過(guò)，而衰減掉特定頻率的高頻振蕩部分,。

    但通常來(lái)說(shuō),，波形的振蕩頻率通常很難準(zhǔn)確定位,。可通過(guò)時(shí)域和頻域仿真的方法或者測(cè)量的方法得出該振蕩頻率,。例如,，某器件接收端信號(hào)的波形仿真如圖12所示。采集m₁～m₁₀共10個(gè)點(diǎn),，使用它們的橫坐標(biāo)的數(shù)值,，計(jì)算其振鈴電流峰值周期T=m₂-m₁=m₄-m₃=m₆-m₅=m₈-m₇=m₁₀-m₉≈3.5 ns，振鈴電流峰值頻率約285 MHz,。再次仿真PCB板上該器件電源供電網(wǎng)絡(luò)的阻抗曲線,，如圖13所示，在284 MHz處有一個(gè)阻抗峰值,，故推斷該阻抗峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率有可能是振蕩的干擾信號(hào)頻率,。此外，使用測(cè)量的方法,，比如采用阻抗測(cè)試儀,、近場(chǎng)探頭測(cè)試頻譜的方法，在該頻點(diǎn)存在很強(qiáng)輻射,，也能定位到該振蕩頻率,。

    由于AC端接中心電容一直處于波動(dòng)狀態(tài)，為使信號(hào)快速進(jìn)入穩(wěn)定傳輸狀態(tài),，電容值的選擇應(yīng)使R_C時(shí)間常數(shù)τ遠(yuǎn)大于2倍的傳輸線延時(shí)^[4],，即：

    AC端接優(yōu)點(diǎn)：反射波吸收效率高，電阻上電壓降落幾乎為零,，在分布負(fù)載和總線布線中均可使用,，并且可解決的反射波形類(lèi)型較多。缺點(diǎn)：RC電路的時(shí)間常數(shù)會(huì)使電路中存在反射,，容值的選擇也不能太大,，通常端接電阻R_T不大于傳輸線的特性阻抗Z₀，端接電容C_T選用20 pF～600 pF^[3],。阻容值的選擇不能僅依靠經(jīng)驗(yàn)值,，可結(jié)合仿真的方法得出，并根據(jù)特定情況進(jìn)行權(quán)衡,。

    圖14是接收端采用AC端接后,，某接收端信號(hào)仿真波形前后對(duì)比圖(R_T=33 Ω，C_T=20 pF),。

2.3.3 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的端接匹配方案

    不同的拓?fù)浞植紝?duì)信號(hào)的影響是非常顯著的,。當(dāng)存在多個(gè)接收負(fù)載甚至多個(gè)源時(shí)，優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使得瞬時(shí)阻抗盡量保持恒定，再配合使用端接匹配能夠使得信號(hào)較為完整,。常用的PCB走線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有菊花鏈(Daisy Chain)結(jié)構(gòu),、Fly-by結(jié)構(gòu),、遠(yuǎn)端簇(Far-end cluster)結(jié)構(gòu),、星型(Star)結(jié)構(gòu)。

    (1)菊花鏈結(jié)構(gòu)

    菊花鏈結(jié)構(gòu)從發(fā)射端T出發(fā)依次到達(dá)各接收端R進(jìn)行布線,，阻抗比較容易控制,，如圖15所示。連接每個(gè)接收端的短樁線stub需要較短,，最好小于上升時(shí)間的1/8,，因?yàn)閟tub表現(xiàn)為容性負(fù)載，它將會(huì)降低信號(hào)的上升時(shí)間,。但通常情況stub較長(zhǎng),，信號(hào)上升沿較短時(shí)，反射較大,，此時(shí)需要進(jìn)行端接匹配消除反射從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行改善,。

    菊花鏈結(jié)構(gòu)中，有時(shí)中間分支的接收器信號(hào)很差,，即使在鏈的末端使用了AC端接也解決不了問(wèn)題^[4],。此時(shí)可以在每個(gè)分支中串聯(lián)一個(gè)阻尼電阻。多個(gè)接收器的反射信號(hào)在中間分支的各個(gè)接收器之間反復(fù)地反射震蕩疊加,，該電阻,、分支線、接收器輸入電容構(gòu)成RC網(wǎng)絡(luò),。電阻減小了電容的充電電流,，使信號(hào)上升沿變緩，因此減小了反射,，噪聲會(huì)明顯減小,。由于前端分支反射較后級(jí)分支的反射大，故阻尼電阻阻值設(shè)定為：

    以某AOE信號(hào)為例,，從發(fā)送端D1(SN74LVTH16245ADL)到接收端器件,，由近及遠(yuǎn)連接的器件依次為D2(S29GL128)、D3(XC3S1400),、D4(XC3S1400),、D5(XC6SLX100)，匹配電阻為：R_T1=510 Ω,；R_T2=82 Ω,；R_T3=51 Ω；R_T4=33 Ω,。因后端反射較小,，R_T3和R_T3可以精簡(jiǎn)省略掉而不影響信號(hào)邏輯電平判定,。匹配前后的仿真波形見(jiàn)圖16。

    (2)Fly-by結(jié)構(gòu)

    Fly-by結(jié)構(gòu)是一種特殊的菊花鏈結(jié)構(gòu),，如圖17所示,，由于其stub為0，因此有較好的信號(hào)完整性^[4],。然而,，這種結(jié)構(gòu)“繼承”了菊花鏈結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)：各個(gè)接收端R存在延遲。對(duì)于負(fù)載端匹配,，各處的信號(hào)均完整,，只是幅度由于分壓有衰減。對(duì)于源端匹配,，只要保證靠近源端的接收器后面的傳輸線的反射延遲小于信號(hào)上升沿RT,，就可保證信號(hào)完整。如果傳輸線較長(zhǎng),，則需要進(jìn)行端接匹配,，可以采取在遠(yuǎn)端上拉或者下拉電阻的方式。以DDR3(MT41系列)地址線為例,，上拉R_L值為39.21 Ω,，上拉電源電壓值為0.75 V，波形有明顯改善,，如圖18所示,。

    如果接收端采用的元器件型號(hào)不同，各個(gè)接收端反射較大,，菊花鏈的端接方法在此同樣適用,。

    (3)遠(yuǎn)端簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(T型分支結(jié)構(gòu))

    遠(yuǎn)端簇結(jié)構(gòu)，發(fā)射端T到A的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于各個(gè)接收端R到A的長(zhǎng)度,，即所有的接收端都在反射端的遠(yuǎn)處并簇?cái)n在一起,，如圖19所示。這種結(jié)構(gòu)保證信號(hào)的關(guān)鍵在于各個(gè)分支要盡量等長(zhǎng),，一般采用源端端接方式^[4],。這種結(jié)構(gòu)也叫T形分支結(jié)構(gòu)、等臂分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。分支等長(zhǎng)情況下,，波形質(zhì)量很好，如圖20所示,；如果分支不等長(zhǎng),，各個(gè)分支處接收端波形急劇惡化，如圖21所示。采取源端匹配R_T為22 Ω電阻后波形明顯改善,，原波形邊沿回溝改善為邊沿單調(diào),，如圖22所示。

    (4)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    星型結(jié)構(gòu),，發(fā)射端T和接收端R共用一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)A,，其中T到A的距離短，R到A的距離較長(zhǎng),，如圖23所示,。通常采用各個(gè)分支單獨(dú)進(jìn)行串聯(lián)端接,，但是在星型結(jié)構(gòu)中串聯(lián)端接電阻R_T的選擇有一定的難度^[4],。

    串聯(lián)端接電阻選取有分支等長(zhǎng)和分支不等長(zhǎng)兩種情況。

    如果能夠保證各個(gè)分支等長(zhǎng),，則串接電阻應(yīng)按照約束條件選?。?/p>

其中N為分支個(gè)數(shù)；Z_out為驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗,。如果輸出阻抗Z_out=10 Ω,，且有3條支路，傳輸線的特性阻抗Z₀=50 Ω,，那么端接電阻R_T=20 Ω,。在這種等長(zhǎng)配置下，每個(gè)支路的接收端接收到的信號(hào)波形都很理想,。但是假如驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗Z_out=20 Ω,，那么按照約束條件計(jì)算的端接阻值為R_T=-10 Ω，說(shuō)明在這種情況下無(wú)法通過(guò)串聯(lián)端接的方式來(lái)使幾個(gè)接收信號(hào)達(dá)到較理想的質(zhì)量,。

    如果不能保持各個(gè)分支等長(zhǎng)(等長(zhǎng)的約束增加了布線難度),，則串接電阻應(yīng)該按照下面的約束條件選取^[4]：

    按照上面同樣的參數(shù)，計(jì)算得到的端接電阻值為41.8 Ω,。每個(gè)接收端信號(hào)的上升沿和下降沿不是很理想,，有形成臺(tái)階的趨勢(shì)，分支路越多,，這個(gè)臺(tái)階就會(huì)降低,。因此，使用星型拓?fù)潋?qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載時(shí),，有一定的限制,，分支過(guò)多可能找不到合適的端接阻值。這和工程案例中的仿真結(jié)果也是一致的,。

    采用星型結(jié)構(gòu)遵照的原則是如果走線較短,，信號(hào)上升沿較緩慢，信號(hào)反射較小，該星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因便于PCB走線而優(yōu)先采用,；如果該星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反射較大且在仿真情況下也未找到合適的匹配電阻,，此時(shí)需改成菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其匹配方式可以消除反射。

3 結(jié)論

    本文首先分析了信號(hào)反射形成的原理,，指出瞬態(tài)阻抗發(fā)生改變將會(huì)使得信號(hào)發(fā)生反射,，列出信號(hào)完整性問(wèn)題常見(jiàn)的反射波形，提出了解決反射常采用的端接策略,，針對(duì)不同互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用有效的改善方法,，并結(jié)合信號(hào)完整性仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1] 李玉山.信號(hào)完整性與電源完整性分析[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2015.

[2] 房麗麗.ANSYS信號(hào)完整性分析與仿真實(shí)例[M].北京：中國(guó)水電水利出版社,，2013.

[3] 顧海洲，馬雙武.PCB電磁兼容技術(shù)——設(shè)計(jì)實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2004.

[4] 于爭(zhēng).信號(hào)完整性揭秘于博士SI設(shè)計(jì)手記[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,，2016.

作者信息:

袁金煥，王艷玲,，楊  菊

(西安微電子技術(shù)研究所,，陜西 西安710029)