90%的工程師都沒意識(shí)到的高速電路設(shè)計(jì)問題：等長(zhǎng)繞線的影響【轉(zhuǎn)發(fā)】

2018-03-29  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

在文章的開頭,給大家提一個(gè)問題:相同物理長(zhǎng)度的兩段傳輸線如下圖所示,一段直線A,一段繞線B,A和B哪一段的延時(shí)會(huì)更大?

隨著高速電路的發(fā)展,電路的設(shè)計(jì)在朝著高速高密度的方向發(fā)展。速度和密度高了的話,各種信號(hào)完整性、EMI的問題就出來。這也就出現(xiàn)了各種各樣的設(shè)計(jì)要求規(guī)則,比如阻抗穩(wěn)定性、同組同層、等長(zhǎng)設(shè)計(jì)等等。今天咱們就來討論一個(gè)由等長(zhǎng)而引發(fā)的一個(gè)設(shè)計(jì)問題,即繞線設(shè)計(jì),如下圖所示:

在設(shè)計(jì)中,特別是DDR3/4/5這類的設(shè)計(jì),總會(huì)有很多的信號(hào)線存在,每一組的數(shù)據(jù)或者地址控制命令信號(hào)線都有一定的等長(zhǎng)要求,如下所示為某芯片手冊(cè)的要求:

在設(shè)計(jì)時(shí),當(dāng)達(dá)不到要求時(shí),工程師首先想到的都是繞線,然后還出現(xiàn)了非常多的繞線方式。如下圖所示(此圖來自Intel PDG):

本文就和大家聊一聊平時(shí)咱們繞線的方式到底存在一些什么問題?為了完成這個(gè)問題的研究,特意做了一個(gè)測(cè)試板,設(shè)計(jì)了研究對(duì)象為10inch的傳輸線,一段做參考為直線(上),一段為繞線(下),如下圖所示:

一般,大家通常都會(huì)認(rèn)為,這樣已經(jīng)算等長(zhǎng)了,而且是完全等長(zhǎng)。但是,通過測(cè)量其傳輸特性,測(cè)量的結(jié)果如下圖所示,我們可以看到,其差異還是不小,相差了12.73ps(紅色圓圈),而且繞線比直線傳輸?shù)母臁?

這12.7ps換算成物理長(zhǎng)度,約為80mil。80mil的長(zhǎng)度應(yīng)該是讓有經(jīng)驗(yàn)的工程師嚇一跳,畢竟平時(shí)硬件工程師說:給我做好等長(zhǎng),誤差在2mil的時(shí)候都會(huì)跳起腳來大罵。當(dāng)然,我們這里做實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的為10inch,通常很多布線都沒這么長(zhǎng),但是也有一些布線確實(shí)非常長(zhǎng)的。但是,不管怎么樣,這個(gè)實(shí)驗(yàn)都告訴了我們,物理等長(zhǎng),不等于實(shí)際設(shè)計(jì)就等長(zhǎng)了。這也是為什么,近年來,業(yè)界一些廠商都提倡時(shí)序等長(zhǎng)的原因。

這是為什么呢?原因就在于繞線之后,由于趨膚效應(yīng)和電磁場(chǎng)效應(yīng),信號(hào)都是在表面?zhèn)鬟f。為了解釋此現(xiàn)象,在ADS中設(shè)計(jì)了一段繞線,進(jìn)行了電磁(EM)仿真,結(jié)果如下圖所示:

從上圖中,我們可以看到,在繞線的地方,都是在相對(duì)比較緊耦合處場(chǎng)電流密度比較大,呈紅色,在上方(與傳輸線平行)以及傳輸線的中心處,電流密度比較小,呈淺色,這就說明信號(hào)靠近邊沿處傳遞,這樣就導(dǎo)致了信號(hào)傳遞的“更加快速”,所用的時(shí)間更少(本來可以給大家放一張動(dòng)態(tài)圖的,但是沒能做好,有機(jī)會(huì)的時(shí)候,再給大家show一下)。

而直線的仿真結(jié)果如下圖所示(長(zhǎng)度太長(zhǎng),所以只截取一部分):

通過以上的分析即可說明,相同的物理長(zhǎng)度,繞線的一段延時(shí)更小,這樣,我們就能回答前面提出來的問題了,顯然是A的延時(shí)更大(在上文中也說了繞線更快)。

那么問題又來了,工程師在設(shè)計(jì)時(shí)遇到不“等長(zhǎng)”的時(shí)候,如何做好設(shè)計(jì)呢?

第一,把物理等長(zhǎng)的觀念改為等時(shí),及不管繞線還是直線,需要的是傳輸延時(shí)是一樣的。有的PCB設(shè)計(jì)工具是可以使用時(shí)間來表示物理長(zhǎng)度的;

第二,有時(shí)序關(guān)系的信號(hào)線,在設(shè)計(jì)時(shí)做到同進(jìn)同出同設(shè)計(jì),盡量減少繞線;

第三,如果某一段傳輸線確實(shí)要繞線,繞線的形狀大一點(diǎn),波與波的距離大一點(diǎn),或者繞的比直線更長(zhǎng)一點(diǎn),至于繞多長(zhǎng),我也不知道,還是請(qǐng)工程師進(jìn)行下仿真吧(這就是為什么要進(jìn)行后仿真了)。

當(dāng)然,好的、方便的設(shè)計(jì)方法非常多,此為拋磚引玉,希望大家把好的方法也分享出來,有興趣的也可以進(jìn)一步的與我交流探討。

編者注:這種繞線的研究,并不是說每一種總線設(shè)計(jì)都需要這樣做,對(duì)于一些低速信號(hào)、對(duì)時(shí)序沒有特別要求的信號(hào)或者對(duì)EMI沒有特殊要求的項(xiàng)目,工程師可以不用考慮。以上內(nèi)容僅供參考。

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