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信号完整性专题【2】...

 红色蒲公英36u4 2021-10-25

1. 等长走线的目的

为了减少信号传输的相对延时,让信号的传输速度一致,等长绕线就是为了统筹信号的时序,等长设计的目的是等时。


2. 建立时间和保持时间

(1)建立时间

建立时间是指时钟前沿数据信号保持不变的时间。

(2)保持时间

保持时间是指时钟跳变后数据需要保持不变的时间。

在这里插入图片描述建立时间和保持时间是芯片识别出信号需要的最小时间量。

信号的速率越高,数据的建立、保持时间窗越窄。时序逻辑要满足建立时间和保持时间的要求,并且保持一定的裕量。

补充:Tco(clock output delay):触发器的响应时间,即时钟上沿到来之后到触发器数据稳定输出(Q)之间的延时。


3. 等长绕线存在的一些问题

3.1 线间串扰

如下图所示,当信号到达 A 点时,因为左右两根走线平行,互相垂直的两根线之间就存在耦合,出现串扰,而串扰会影响信号的延迟。

在这里插入图片描述

这是一种近端串扰,串扰噪声的跳变方向与信号的方向相同,随着信号向上传输,B 点持续产生串扰噪声,当信号到达 B 点时,信号与串扰的噪声叠加,使得原信号的上升沿各点电位不同程度的被抬高,从时间轴来看,信号似乎提前达到了 B 点,如下图所示:

在这里插入图片描述

蛇形走线的内部产生噪声,反过来叠加到原信号之上。如果绕线没有处理好,就会使得绕线的适得其反。

3.2 信号不同层之间走线

如下图所示的走线,虽然两根信号线长度是一样的,但是一根是在同层走线,而另一根则通过过孔进行了换层。

在这里插入图片描述
这里就存在几个问题:

(1)经过了过孔,两根线长度已经不一样了,这个过孔的长度需要计算;

(2)过孔成容性,对延时存在影响;

(3)表层和内层传输速度的差异,因为表层和内层的介电常数不一样,造成型号的传输速度不一样(空气中更低,传输速度更快)。

3.3 信号线的阻抗

不同走线之间的阻抗不一致也会导致延时不一样的问题,如下图的走线,一些 BGA 芯片在出线端与走线端因为空间的关系,常会在出线端线细一些,等到出线完毕了再恢复到正常,如下图:

在这里插入图片描述
如果各个走线之间的阻抗差别比较大,那么也会导致信号之间时序的不一致。

实际设计中往往不止这些因素会影响信号的延迟,电源噪声,串扰,阻抗都可能对信号的传输造成干扰,越来越快的信号,时间裕量也越来越小,如果设计的不好,就可能使系统的稳定性受到影响。


4. 等长绕参数设置

如下图所示,主要的参数是 gap 和 H。

在这里插入图片描述
走线之间的串扰造成了信号的加速,为了避免对应的问题,就要控制信号之间的串扰。

信号之间的间距越大,串扰越小;耦合长度越小,串扰越小。只要最大限度的能够减少这种串扰,那么就不会对信号的延迟造成太大的影响。

如下图所示,当 gap 为不同时,信号传输的延迟对比。

在这里插入图片描述

从左往右,gap 依次等于 1W,2W,3W(H 不变),可以看出,线间的间距越大,信号的延迟越发接近直线走线(虚线为直线走线)。

在这里插入图片描述

上图为 gap 不变,然后改变 H 的情况,可知,H 越小,延迟越接近直线走线。

从这两个参数的控制,在蛇形走线时,尽量大的 gap 和尽量小的 H 都能达到比较理想的延迟效果。所以,在 PCB 空间允许的情况下,下面的走线时候比较理想的:

在这里插入图片描述
如上图,蛇形线的两侧不是平行的,同时 H 比较小,这样就减小了线间的串扰。绕等长的时候,除了长度,绕线部分的串扰控制时很关键的。


5. 总结

高速的并行信号,差分信号,等长时必要的,但是对于 ±100mil、±50mil、±5mil 等等长误差要求,需结合具体的应用分析,总的来说,等长之间的误差越小,信号之间的延迟是比较统一的,而实际应用中 PCB 的空间,成本等也是设计必须考虑的问题。总的来说,完成一个好的设计是一个系统工程,应该多方面协调、规划、处理,而不应该局限于某个点。


参考:

  1. DDR3布线设计要点总结

  2. PCB板蛇形走线方案

  3. 什么信号需要绕等长?(网口信号,PCIE信号,DDR信号,LVDS信号)

  4. PCB设计十大误区-绕不完的等长(五)

  5. 面试题12–跨时钟域的信号处理技术

  6. 信号是怎样传输的?

  7. 如何科学绕等长(一)

  8. DDR布线规则与过程

  9. DDR布线规则与过程

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