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高速差分線的PCB設(shè)計要點(diǎn)與仿真分析

發(fā)布時間：2019-03-07 責(zé)任編輯：xueqi

【導(dǎo)讀】差分信號在高速電路設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文將從LVDS信號仿真、設(shè)計等多方面探討合適的LVDS信號的實(shí)現(xiàn)。
 
隨著電子設(shè)計技術(shù)的不斷進(jìn)步，要求更高速率信號的互連。在傳統(tǒng)并行同步數(shù)字信號的數(shù)位和速率將要達(dá)到極限的情況下，開始轉(zhuǎn)向從高速串行信號尋找出路。HyperTansport（by AMD）， Infiniband(by Intel)，PCI-Express（by Intel）等第三代I/O總線標(biāo)準(zhǔn)（3GI/O）不約而同地將低壓差分信號（LVDS）作為下一代高速信號電平標(biāo)準(zhǔn)。本文將從LVDS信號仿真、設(shè)計等多方面探討合適的LVDS信號的實(shí)現(xiàn)。
 
前 言
 
隨著近幾年對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，和更少的信號線，更高的速率獲得了眾多設(shè)計者的青睞。而串行總線又尤以差分信號的方式為最多。而在我們的項(xiàng)目中的PCI- Express串行信號線正采用了LVDS技術(shù)。所以以下的敘述中都以串行信號中LVDS信號為代表講述。
 
串行LVDS信號的PCB設(shè)計
 
1.   差分信號的概念和優(yōu)點(diǎn)
 
差分信號（Differential Signal）在高速電路設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛，電路中最關(guān)鍵的信號往往都要采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計。何為差分信號？通俗地說，就是驅(qū)動端發(fā)送兩個等值、反相的信號，接收端通過比較這兩個電壓的差值來判斷邏輯狀態(tài)“0”還是“1”，而承載差分信號的那一對走線就稱為差分走線。差分信號與普通的單端信號走線相比，最明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下三個方面：
 
（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，幾乎是同時被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。
 
（2）能有效抑制EMI。由于兩根信號的極性相反，他們對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）時序定位精確。由于差分信號的開關(guān)變化是位于兩個信號的交點(diǎn)，而不像普通單端信號依靠高低兩個閥值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時序上的誤差，同時也更適合于低幅度信號的電路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指這種小振幅差分信號技術(shù)。
 
2.   LVDS信號在PCB上的設(shè)計要點(diǎn)
 
LVDS信號被廣泛應(yīng)用于計算機(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信號正是采用的是LVDS信號。LVDS信號不僅是差分信號，而且還是高速數(shù)字信號。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在媒質(zhì)終端發(fā)生反射，同時應(yīng)減少電磁干擾以保證信號的完整性。只要我們在布線時考慮到以上這些要素，設(shè)計高速差分線路板并不很困難。下面簡要介紹LVDS信號在PCB上的設(shè)計要點(diǎn)：
 
2.1布成多層板
 
有LVDS信號的電路板一般都要布成多層板。由于LVDS信號屬于高速信號，與其相鄰的層應(yīng)為地層，對LVDS信號進(jìn)行屏蔽防止干擾。對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信號與其它信號分別放在不同的層。例如，在四層板中，通?？梢园匆韵逻M(jìn)行布層：LVDS信號層、地層、電源層、其它信號層。
 
2.2 LVDS信號阻抗計算與控制。
 
LVDS信號的電壓擺幅只有350mV,適于電流驅(qū)動的差分信號方式工作。為了確保信號在傳輸線當(dāng)中傳播時不受反射信號的影響，LVDS信號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完整性及延遲。如何對其進(jìn)行阻抗控制呢？
 
（1）確定走線模式、參數(shù)及阻抗計算。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)軟件計算得出。通過計算，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，在走線時嚴(yán)格按照計算出的線寬和間距，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 在計算線寬和間距時最好遵守緊耦合的原則，也就是差分對線間距小于或等于線寬。當(dāng)兩條差分信號線距離很近時，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，會造成層間差分對的差分阻抗變化。
 
(3)走短線、直線。為確保信號的質(zhì)量，LVDS差分對走線應(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不同差分線對間處理
 
LVDS對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。必要時在不同差分線對之間加地孔隔離以防止相互間的串?dāng)_。LVDS信號盡量遠(yuǎn)離其它信號。LVDS差分信號不可以跨平面分割。盡管兩根差分信號互為回流路徑，跨分割不會割斷信號的回流，但是跨分割部分的傳輸線會因?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：差分對線
 
接收端的匹配電阻的布局。對接收端的匹配電阻到接收管腳的距離要盡量靠近。同時匹配電阻的精度要控制。對于點(diǎn)到點(diǎn)的拓?fù)?，走線的阻抗通常控制在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％的阻抗不匹配就會產(chǎn)生5％的反射。
 
 串行LVDS信號的仿真分析
 
以上分析了LVDS信號設(shè)計時必須注意的事項(xiàng)，雖然在PCB設(shè)計的時候一般都會遵守以上的規(guī)則進(jìn)行，但是為了能夠提高設(shè)計的正確性和準(zhǔn)確行必須對PCB進(jìn)行信號完整行仿真，通過仿真得到信號的串?dāng)_、延時、反射和眼圖波形，從而達(dá)到設(shè)計即正確的目標(biāo)。信 號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，最后進(jìn)行后仿真，驗(yàn) 證設(shè)計是否滿足設(shè)計要求。在整個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于仿真結(jié)果同樣至關(guān)重要，而在本設(shè)計 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)置和信號的耦合以及阻抗計算都有著密切的關(guān)系，所以在開始PCB設(shè)計之前必須進(jìn)行疊層設(shè)計，然后進(jìn)行信號的阻抗計算。在本設(shè)計中的疊層設(shè)計見下圖：
 
圖2：疊層設(shè)計
 
由于PCB密度較高，本設(shè)計采用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，阻抗理論計算值分別為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仿真需要確定一個或多個電壓源管腳，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仿真的時候allegro會把器件分成三大類：IC、連接器和分立器件（電阻電容等），allegro會依據(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。信號在傳輸時，傳輸線會使得信號完整性問題突出，因此仿真軟件對傳輸線精確建模的能力直接影響仿真結(jié)果。
 
圖3：差分對線模型b:帶狀線   c: 微帶線
 
而 信號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自動分配的。仿真的時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)計主要關(guān)注LVDS串行信號。
 
3.6.提取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/div>
 
從PCB中提取待關(guān)注信號的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般包括驅(qū)動端和接收端，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，那些會對信號的傳輸造成影響。本文僅以其中一個信號的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D為例，如圖4所示：
 
圖4：差分對線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/div>
 
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)計的時候還需要結(jié)合仿真的結(jié)果實(shí)時的對設(shè)計進(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差分信號時刻保持相反極性，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。對差分對的布線方式應(yīng)該要適當(dāng)?shù)目拷移叫?。所謂適當(dāng)?shù)目拷且驗(yàn)檫@間距會影響到差分阻抗(differential impedance)的值, 此值是設(shè)計差分對的重要參數(shù)。需要平行也是因?yàn)橐３植罘肿杩沟囊恢滦?。若兩線忽遠(yuǎn)忽近, 差分阻抗就會不一致, 就會影響信號完整性(signal integrity)及時間延遲(timing delay)。從仿真的S參數(shù)曲線圖可以分析差分對的差分阻抗(differential impedance)，以及信號完整性。下面給出本設(shè)計中的關(guān)鍵信號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。 這說明該差分對的差分阻抗(differential impedance)接近設(shè)計指標(biāo)，信號完整性得到了保證。
 
圖5：差分對線仿真S參數(shù)曲線
 
圖6:差分對IN，OUT的HSPICE仿真圖
 
通過差分對IN，OUT的HSPICE仿真，圖6顯示的結(jié)果：差分對線的對稱良好。
 
結(jié)論 通過以上的仿真分析可知，在PCB的設(shè)計階段對于高速LVDS信號的各項(xiàng)要求都能達(dá)到，而經(jīng)過實(shí)際的PCB生產(chǎn)也證明了該設(shè)計的正確性，該產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定，完全能達(dá)到PCI-express高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，可靠性高。?本文的分析可知，在高速串行信號的設(shè)計中，不僅考慮電路設(shè)計，其板圖設(shè)計和仿真分析也同樣的重要，而且隨著信號的頻率越來越大，影響信號的延時、串?dāng)_、信 號完整性等的因素越來越復(fù)雜。同時控制這些因素的影響也越來越困難，工程師必須深入的分析布線設(shè)計、借助精確的模型、有效的仿真和科學(xué)的分析方法，才能給 復(fù)雜的高速設(shè)計以正確的指導(dǎo)，減少修正周期確保設(shè)計成功。
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