PCB设计与SI 的关联性-Matthew-PPT幻灯片课件.ppt

PCB設計與SI的關聯性,Matthew,1,訊號完整性,訊號完整性(Signalintegrity，SI)訊號從發訊端(Driver)發射後，其原始訊號能量經電路板的傳輸通道(包含線路、孔等)傳輸，到收訊端(Receiver)接收時，其訊號能量會有差異，此即傳輸過程中的損耗(Loss)。損耗愈大則代表訊號愈不完整、愈多雜訊（Noise），這會造成訊號解譯上的問題。為了偵測訊號的完整性(signalintegrity)及傳輸過程中的損耗(Loss)，有人發展出以頻域（Frequencydomain）特性來觀察的S（Scatter）參數，亦即透過發出不同頻率的訊號，以便在傳輸線的不同位置（埠，port）觀察訊號的損失狀況。,2,雙股線S參數的表示與觀察,S參數的表示方式Sout,in=VoutVin例如：從port1輸入訊號，port2輸出訊號則為S21；從port1輸入訊號，port1輸出訊號則為S11；從port1輸入訊號，port3輸出訊號則為S31。S參數的觀察/解讀要點S11：反射損耗(Returnloss/Reflectionloss)S21=S12：插入損耗(Insertionloss)S31=S13：近端串擾(Nearendcrosstalk)S41=S14：遠端串擾(FarendCrosstalk),Port1發射訊號接收反射訊號能量,Port3接收近端的串擾訊號能量,Port4接收遠端的串擾訊號能量,Port2接收穿越傳輸線的能量,3,傳輸線的定義,上升時間(Risetime)/轉換時間一個訊號從低電位轉換到高電位所耗的時間，即為上升時間或轉換時間(Transitiontime)(參考下圖)當一個訊號，從低電位轉換成高電位都在同一傳輸路徑時，則此路徑可視為傳輸線對傳輸線的定義傳輸路徑長度超過類比訊號1/10波長則視為傳輸線例如：同軸線纜上，1MHz波長200M，則20M可視為傳輸線；1GHz波長200mm，則20mm可視為傳輸線。,4,高頻訊號的傳輸問題,高頻訊號的損耗(Loss)訊號的頻率愈高時，損耗愈大；傳輸距離愈長時，則損耗也愈大。當損耗過大時，會產生訊號不完整及雜訊等問題，此時就必須檢視導體損耗、介質損耗及輻射損耗等，並透過減少損耗來確保訊號品質。何時需要進行高頻訊號的問題分析?這需要視此訊號的應用情況而定，但一般而言，一個訊號判定邊的上升時間(tr,risetime)若USB3.05GbpsDDR2533MHz/1,066Mbps-DDR3800MHz/1,600Mbps,5,高頻傳輸的能量損耗來源,高頻傳輸的總能量損耗來源主要包括下述各項：Reflectionloss(反射損耗):因阻抗不匹配的總能量損耗Couplingloss(耦合損耗):因串擾(Crosstalk，有人稱之為串音)的總能量損耗Dielectricloss(介質損耗):因介質特性的總能量損耗Conductorloss(導體損耗):因訊號傳輸導體造成的總能量損耗Radiatedloss(輻射損耗):因電磁輻射造成的總能量損耗Insertionloss(插入損耗)-3dB時，訊號能量約為原來能量的70%，此屬顯著的能量損耗。,6,反射損耗(Reflectionloss),訊號反射能量:原因：當訊號在傳輸線(包括線路、通孔等)上傳輸時，若在途中遇到阻抗水準有變化時，就會產生反射能量影響：反射能量會導致訊號損耗及扭曲，也會增加串擾(Crosstalk)及EMC問題。訊號反射(Signalreflection)是系統訊號完整性(SI)的最大傷害者之一。因應對策：儘可能使訊號通過的傳輸線，沿途的特性阻抗值維持在同一水準，以避免反射,線寬改變造成阻抗水準有變化,7,阻抗不匹配的來源,阻抗不匹配的意義：線路阻抗維持相同水準時，可避免產生反射訊號，反之，訊號經過的各段線路(包括連接器、線路、通孔等)若阻抗值不同時，則為阻抗不匹配，這會產生反射訊號阻抗不匹配又稱為阻抗不連續(discontinuous)，而傳輸線不連續(例如:截面積、結構改變)會造成阻抗不匹配阻抗不匹配的來源包括線路截面積(寬度與高度)的改變介質厚度的變化Stubs（通孔的盲腸/線路的殘肉）負載元件的阻抗不一致訊號從連接器轉移到電路板上的線路時,8,傳輸線不連續現象1,傳輸線不連續的情況如下：線路轉90度-可改成以45度角轉兩次或將角改成圓弧狀線路部份在銅面上，部份在空曠區上-若遇空曠區時，可沿著銅面饒道而行線路接通孔：以盲埋孔取代通孔可減少stub效應；透過孔徑縮小，使線寬接近孔徑，可減低不匹配情況,線路90度轉彎,線路跨越空曠區,線路連結通孔,9,傳輸線不連續現象2,傳輸線不連續的情況如下：線路直接連通孔-建議在連接處改成淚滴狀(Teardrop)，如此會增加電容而與孔電感效應抵消一部份(1G以上較明顯)T型接頭-可透過改變連接處形狀，以減少不連續情況線路有Stub(殘肉)-可透過縮減Stub(殘肉)以減少不連續情況,透過變更為淚低狀而減少不連續,T型連接處可改變形狀以降低不連續性,Stub(殘肉)太長時，可移動線路或元件，以減少stub長度,10,耦合損耗(Couplingloss),電磁的耦合：原因：在高速互連的訊號傳輸線路中，相鄰的兩個導體，透過電感或電容的耦合作用，所產生的串擾(Crosstalk)現象，這包括近端串擾(NEXT)與遠端串擾(FEXT)。影響：串擾會產生不想要的雜訊(Noise)，並使訊號產生扭曲或劣化。訊號耦合在高速互連線路設計選擇時，經常成為一項關鍵的參數。因應對策：利用屏蔽(shielding)、PCB疊構及圖像（Pattern）設計改善、PCB製程能力改善、等，以減少產生電感或電容耦合情形。,11,線路間距3W原則,線路間距對串擾的影響線路間距愈小則串擾(Crosstalk)程度愈大，這可參考下圖的S11Reflectionloss及S21Insertionloss數據為避免間距太小造成過大的損耗(Loss)，有些企業訂定3W原則，亦即線路的間距以線路寬度(W)的三倍為原則。例如：線寬1mm時，較理想的間距為3mm。,12,兩條線路間接地的效應,兩條線路中間的導線接地兩條線路距離很近,且中間沒有接地的導體時，就一會有串擾(Crosstalk)的現象,為了減少此問題，可以增設一導線並以通孔連接GND層依實驗結果，中間導線所連接的孔數(有接GND層)愈多，則所減少的損耗(Loss)也愈多,但孔數超過特定數量後，損耗的變化就不大了。,13,通孔盲腸效應(Viastubeffect),通孔盲腸：係指訊號從L1通到內層(eg:L3)時，從內層到底層間的通孔稱為stub(意義:殘段,白蓉生稱之為盲腸,如圖)。當PCB的導通孔內有Stub（盲腸），且通過高頻訊號時，則此段與參考層(VCC/GND)間會產生寄生電容，而造成一些干擾。Stub愈長則插入損耗愈大。,14,通孔與接地層間的電容與電感,通孔包括貫通孔、盲孔與埋孔貫通孔的寄生電容C=1.41TD1(D2-D1)為介質常數；T為通孔的高度寄生電容會使上升時間延長，且降低速度貫通孔的電感L5.08TLn(4TD)+1由上述公式可知通孔的隔離環大小對寄生電容有很大的影響,D,D1,D2,Ground層,AntiPad隔離環,Annularring平環,孔,孔,T高度,15,通孔的影響實驗1,實驗板結構6層板L1/3/6Signal層L2/L5GND層L4Power層線路設計原則(如右圖)線路0:在L1走直線無孔線路1/3:從L1經通孔到L3，線路3通孔較大線路2：訊號從L1到L3間傳輸，共經過通孔三次線路4/5：從L1經通孔到L6，其中，線路5的通孔旁有兩個接地通孔,16,通孔的影響實驗2,實驗結果線路2經過三個通孔及L3層，造成的損耗最大線路1.3經過L1/L3，其損耗較通過L1/L6的線路4.5大有接地孔的線路5,其損耗較沒有接地孔的線路4小,17,其它降低串擾的方法,線路與參考層間的介質厚度線路與參考層間的介質厚度愈薄，則串擾(Crosstalk)的程度就愈低。使用差動線路(Differentialtrace)設計相較於單端線路，以差動線路傳輸訊號時，其串擾(Crosstalk)程度較低。Differentialimpedance兩條線若與玻纖呈0度或90度時，則兩條線的訊號可能分別在玻纖上及樹脂上跑，而造成訊號損耗不同，因此，若將兩條線與玻纖呈45度角，則兩條線的訊號損耗會較接近移除在內層中,通孔旁的無功能焊墊(Nofunctionpad)，藉此以降低損耗將不同類的訊號(例如：數位訊號、類比訊號等)予以分類，且在佈線時，應分割成不同區域，並予以隔離，以減少耦合發生的機率,18,介質損耗(Dielectricloss),介質損耗原因：一般FR-4材料的能量損耗主要是在極化（polarization）過程，這是指介質的質點（指原子、分子、離子等）在電場的作用下形成偶極子（dipole）的過程。影響：訊號在通過介質時，部份能量轉化成熱能而消失，並使得訊號衰減。因應對策：使用LowDf材料，以降低介質損耗,19,不同介質損耗材料比較,介質損耗的指標是DfDf(Dissipationfactor)可稱為散失因素、介質損失（Dielectricloss）或損失正切（Losstangent）Df定義:訊號線中已漏到絕緣材的能量導體中尚存的能量四種材料的訊號傳輸量測結果如下Df值(10GHz):FR402(0.019)N4000-13(0.014)RogersRO4003(0.0027)ArlonCuclad217(0.0009)訊號衰減程度:Cuclad217RO4003N4000-13FR-4,Df=”/,20,導體損耗(Conductorloss),導體損耗原因：導體的電阻會使電能轉換成熱能而造成損耗，而以交變訊號或交流電通過導體時，則會因集膚效應(skineffect)而使得電流集中在導體表面附近，此時若訊號頻率較高，且導體較粗糙時，則會大幅增加訊號能量的損耗影響：高頻訊號傳輸時，會造成訊號衰減因應對策：以反轉銅箔(RTF,Reversetreatedcopperfoil)或低陵線(lowprofile)銅箔取代標準銅箔,21,導體損耗因素,導體損耗影響因素鄰近接地層(Ground)的導體表面，若愈粗糙則因集膚效應，其損耗愈大(參考圖A)線路較寬時，損耗較小(參考圖B)；通過導體的電壓愈低，損耗亦愈低。,圖A,圖B,22,輻射損耗(Radiatedloss),輻射損耗原因：線路上的能量(訊號)，透過輻射方式將能量散播到周圍環境中，例如，阻抗不匹配或訊號發射時，連接器與線路連接處較易發生輻射損耗。另外，當介質厚度較厚、介質常數較低或頻率較高時，亦較容易產生輻射損耗。影響：高頻訊號傳輸時，會造成訊號衰減因應對策：透過疊構與圖像設計，以增加屏蔽(shield)效果，減少輻射損耗。,23,PCB各層功能的規劃原則,PCB各層功能的設計考量PCB的電源層(Power)、接地層(Ground)具有電磁屏蔽功能，故PCB各