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標(biāo)題: 剖析與控計(jì)高速PCB設(shè)計(jì)工具 [打印本頁]
作者: SZJLCB 時(shí)間: 2019-1-10 11:36
標(biāo)題: 剖析與控計(jì)高速PCB設(shè)計(jì)工具
很久以來就想寫些高速方面的東西,,但想了想,,自己一家之言,,難免觀點(diǎn)片面,,以偏概全,所以寫成討論貼的形式,,讓對高速設(shè)計(jì)都有經(jīng)驗(yàn)的朋友都來參與討論,,把自己的見解都說出來,如此百花爭鳴,就不會有失偏頗,,而且無論是對我還是對各位網(wǎng)友都是一個(gè)難得的學(xué)習(xí)機(jī)會,。3 e; ^" k0 \7 _9 e# x
以前我一直都認(rèn)為不要太注重工具,應(yīng)該把焦點(diǎn)放在所需要解決的問題上,,再借助工具來找到解決問題的方法,,但有不少網(wǎng)友卻說得某些工具有多神奇,擁有后就萬事無憂了,,這對初學(xué)高速的朋友實(shí)在是誤導(dǎo),,在論壇里我也見過自稱用了某高檔工具x年的網(wǎng)友最后發(fā)貼詢問傳輸線阻抗的定義,也有自稱精通某高檔工具拿7xxx元高薪的網(wǎng)友答不出信號質(zhì)量的基本要求,,我只想說,,如果是為了用某強(qiáng)大功能來達(dá)到省事,輕松的目的,,那你不過在偷懶,,當(dāng)然這無可厚非,但我認(rèn)為無論用什么工具都應(yīng)該以更好的設(shè)計(jì)質(zhì)量作為目標(biāo),。) i. T. s9 W) V1 s( l$ N
因?yàn)樘嗳硕悸犨^別人講過cadence的allegro和specctraquest有多好,,那么今天就以它作為剖析對象展開討論,但不是討論軟件的使用方法,,而是分析工具在設(shè)計(jì)過程中的方法和特點(diǎn),,來了解它在設(shè)計(jì)過程中控制了什么對設(shè)計(jì)質(zhì)量有影響因素,這樣我們就能對高速電路的設(shè)計(jì)要求有一個(gè)完整的了解,,但參與討論的網(wǎng)友需要了解一些信號完整性的基本定義,例如信號反射,,過沖,,非單調(diào)性,串?dāng)_,,最好能了解它們在實(shí)際要求中的容限和標(biāo)準(zhǔn).
在國外高速電路設(shè)計(jì)是需要保證整個(gè)方案的物理實(shí)現(xiàn),,所以高速方面的可行性分析是貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程的,其中包括芯片的選用,,前端原理圖設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,,后端板級設(shè)計(jì)和驗(yàn)證;國內(nèi)高速設(shè)計(jì)的概念剛起步,,要求比國外低,,重視的程度也低,大多數(shù)從事這一工作的朋友做的應(yīng)該都是后端板級設(shè)計(jì),,好一點(diǎn)的就連前端原理圖一起做,;所以討論從板級設(shè)計(jì)開始。現(xiàn)在不少工具用的設(shè)計(jì)流程都是:
ok?
. `, o$ a6 y+ i# p5 Oplacement--->pre layout simulation---->route all net--->post layout simulation' G" k( }. H6 M: p0 q# U" k! J
布局 預(yù)布線仿真 | 完成走線 后布線仿真2 h9 Z; @$ O( u+ P: q
| |no) n! A3 C+ h! o7 f% `* z
|<-____________________________|
在specctraquest中也是:布局,仿真,,改變布局,,再仿真,一直到仿真結(jié)果符合要求才開始布線,。很明顯,,布局很重要,相對預(yù)前布線仿真來說,,后布線仿真如果是在布線后發(fā)現(xiàn)問題的話,,已經(jīng)是遲了,那么最重要的是預(yù)布線仿真,,預(yù)布線仿真決定了布局,,布局里有什么樣的因素,能影響整塊板的性能,?我們可以再回到剛才在specctraquest環(huán)境下的反復(fù)布局和仿真結(jié)果,,不難發(fā)現(xiàn),芯片離得越近,,分析報(bào)告里違反過沖規(guī)則設(shè)置的就越少,,芯片的距離決定了線長,這說明了過沖和長度有關(guān),。多層pcb上有完全平面層相鄰的走線都可以看作是阻抗恒定并受控的傳輸線,,微觀上是由無數(shù)個(gè)微分電感串聯(lián)和無數(shù)個(gè)微分電容對地并聯(lián),信號的上升沿可以分解為一個(gè)基波和一列頻率各不相同的諧波,,在流經(jīng)這些電感和電容時(shí)由于頻率不同,,每個(gè)諧波的相位移動都不一樣,振幅上有的地方加強(qiáng)有的地方減弱,,結(jié)果就形成了信號上升到電平穩(wěn)定之間這一段震蕩,,這就是過沖和振鈴,線長度加長意味著串聯(lián)電感和并聯(lián)電容增加,,過沖也會隨之增強(qiáng),。' g8 J3 u, Q2 R; M& K) x1 z3 \& @
過沖僅僅跟長度有關(guān)么?當(dāng)我們有部分網(wǎng)絡(luò)連接了多個(gè)芯片,,而且這幾個(gè)芯片由于某些限制只能在一個(gè)較小的區(qū)域里放置,,這樣我們可以發(fā)現(xiàn)改變芯片位置時(shí),由于芯片基本上都很近了,,網(wǎng)絡(luò)連接長度基本上變化都不大,,但仿真結(jié)果相差卻很大,出現(xiàn)過完全合格,,也出現(xiàn)過大部分負(fù)載在過沖上違反規(guī)則設(shè)置,,這很能說明影響過沖噪聲的不僅僅是長度,,經(jīng)過多次嘗試,可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生主要影響的是各個(gè)芯片的連接順序,,不同的連接順序時(shí)負(fù)載產(chǎn)生的噪聲和對相鄰負(fù)載的影響都不盡相同,,在我所舉的這個(gè)例子里,最理想的是單線遠(yuǎn)端分叉的星形連接順序,,圖形如下:
/負(fù)載 (注:這只是我的例子里) q6 H% D: N* `1 R; ]2 J! C; L
/ 的情況,,如果是特殊
) i" \% t! \0 R! w7 [, S' b# |# M驅(qū)動引腳--------|----負(fù)載 的驅(qū)動器類型,例如3 \8 z# B$ T* j. g# L
\ ECL的,,就必須用菊花
) d, s: U. l6 ]; e \負(fù)載 鏈?zhǔn)竭B接,,不同情況- B' A( I5 b8 r' E' f
要區(qū)別對待)
% O" x4 p! Z2 c O! I r
% g) R8 w- ?$ J/ v/ ?再有的一個(gè)因素就是電源,對于電源平面的分割我無法用工具來舉出例子,,但電源的影響要大于上述兩點(diǎn),,甚至?xí)䴖Q定整塊板的成功與否。我所理解的影響電源的因素有兩個(gè),,一個(gè)是電源內(nèi)阻,,一個(gè)是電源信號回流路徑。電源內(nèi)阻并非普通意義上所指的電阻,,我們平時(shí)所見到的導(dǎo)體由于多用在低頻的場合,,所以一般只注意到其電阻效應(yīng),電感跟電阻差不多,,在導(dǎo)體里有無數(shù)個(gè)微分電感串聯(lián)和并聯(lián),,導(dǎo)體面積增大時(shí)等于并聯(lián)的微分電感增多,總電感量減少,,當(dāng)導(dǎo)體的長度增大時(shí)等于串聯(lián)的微分電感增多,,總電感量增加;在低頻率時(shí)電感的效應(yīng)不明顯,,頻率逐漸增加時(shí),,電感對隨頻率變化的電流的阻礙作用也跟著增加,這樣我們可以想象一下,,在芯片急劇動作時(shí),電源瞬間變化的電流差很大,,那么在供電路徑上的電感會呈現(xiàn)一個(gè)較大的阻抗,,勢必會耗費(fèi)部分電壓在這上面,這將意味著芯片將得不到足夠的供電電壓,,信號的擺幅也會跟著跌低,,這樣信號擺幅就會受到電源的調(diào)制而有可能無法保證一個(gè)有效的脈沖方波,對電路的危害是自不必言的,,其實(shí)這也就是高速電路里所說的地彈,,為了盡量避免地彈,保證每個(gè)芯片的耗電引腳都有濾波電容,并盡量降低電源內(nèi)阻,,具體做法是電源平面盡量保持完整,,達(dá)到電感最小,電源層和地層相鄰放置,,得到更大的對地電容,,如此可以進(jìn)一步降低電源內(nèi)阻,抑制和屏蔽電源路徑上的噪聲,。) A8 F; x: p! U
對于信號回流路徑,,我想引用網(wǎng)友阿Ming在他的原創(chuàng)《高速PCB設(shè)計(jì)的疊層問題》里的敘述更為清楚:“如果我們將PCB的微帶線作為一個(gè)傳輸線模型來看,那么地平面也可看作是傳輸線的一部分,,這里可用‘回路’的概念來代替‘地’的概念,,地鋪銅層其實(shí)是信號線的回流通路。電源層和地層通過大量的去耦電容相連,,在交流情況下,,電源層和地層可以看成是等價(jià)的。在低頻和在高頻下的電流回路有什么不同呢,?在低頻下,,電流是沿著電阻最小的路徑流回,而在高頻情況下,,電流是沿著電感最小的路徑流回的,,也是阻抗最小的路徑,表現(xiàn)為回路電流集中分布在信號走線的正下方,。8 R* O, W3 Y( ^9 w6 h$ _+ K: G
高頻下,,當(dāng)一條導(dǎo)線直接在接地層上布置時(shí),即使存在更短的回路,,回路電流也要直接從始發(fā)信號路徑下的布線層流回信號源,,這條路經(jīng)具有最小阻抗,即電感最小和電容最大,。這種靠大電容來耦合電場,,靠小電感耦合抑制磁場來維持低電抗的方法稱為自屏蔽�,!�
到此,,我們總結(jié)出3個(gè)與布局相關(guān)的因素以及它們的相關(guān)影響,圖示如下:
|———布線長度——過沖# m% m" m# G& Y" V; P3 T$ R/ P& q
|
) S& T' A1 } _% P" W" S+ e1 e | |——過沖5 ~5 _7 \* Q3 g0 c1 H
布局----|———布線拓?fù)溥B接順序---|
! T3 y5 ?$ m, ] | |——非單調(diào)性& N, P a" U# [% b1 l
|$ K. ^/ N- z3 p6 X' f
| |——地彈# h* O6 o& O8 b% Y; S4 j
|———電源分割——|
, M( S6 s* r) u" g0 ?$ ` |——信號回流路徑
高速板級設(shè)計(jì)中布局的一個(gè)基本框架就比較清晰了,,但相關(guān)說明和敘述都不太具體,,例如過沖不僅僅和線長有關(guān),和芯片的長線驅(qū)動能力和噪聲容限都密切相關(guān),,以及不同的拓?fù)溥B接的影響,,這些更進(jìn)一步的細(xì)化的討論將留給網(wǎng)友們來完善和補(bǔ)充,,歡迎大家都來參與。
) T- Q7 Q% J+ y; `9 O
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