PCB设计案例

PCB设计案例介绍来源：龙人计算机研究所作者：站长时间：2006-11-6 9:48:45产品名称 光网络高速背板 【类 别】：典型高速背板【难 点】：单板上3.125信号达到320对，1.25G信号640对，单板尺寸达到 653 X 418，走线很长，如果阻抗和线宽的宽度没有协调好将导 致衰减比较严重。长走线要确保间距足够避免串扰。【我司对策】：HSPICE仿真眼图，提取线宽和走线长度的约束。仿真确保串扰幅 度符合要求。SIGNOISE仿真确保子板与主板的拓扑符合要求.。 多人并行设计确保单板进度。【结 果】：原先客户希望用32层实现，结果使用28层实现，降低了单板的加 工难度，同时保证了信号质量。 产品名称 PMC扣板 【类 别】：典型高速高密HDI板【难 点】：18片DDRII芯片正反贴，高密度布局，严格的拓扑结构和时序关系。 多个大电流，客户要求严格的热设计。【我司对策】：详细分析资料计算时序，前仿真确定DDRII的布线拓扑，并删除了一 些不必要的匹配电阻。后仿真确认它们的时序。通过电流计算软件 合理设计电流布线通道。采用HDI设计满足密度要求。多人并行设 计确保单板进度。【结 果】：单板比用户预计的时间缩短一半设计完成，信号质量满足要求。产品名称 三层核心路由交换机交换板 【类 别】：典型高速板【难 点】：采用BCM56601套片方案，带RLDRAM,DDRII SDRAM,TCAM，有严格的时 序要求；板上高速信号3.125G多对，1.25G信号48对，每对长度13英 寸；阻抗控制严格，电源种类繁多，6安以上的电流有8种，大量的 锁相环；单板PIN数25000以上，大量的网络规则【我司对策】：详细分析资料计算时序，HSPICE仿真1.25G信号与3.125G信号的布线 规则。前仿真确定RLDRAM,DDRII SDRAM,TCAM的布线拓扑，后仿真确 认它们的时序。通过电流计算软件合理设计电流布线通道。多人并 行设计确保单板进度。【结 果】：单板比用户预计的时间缩短一半设计完成，信号质量满足要求。产品名称 某二阶HDI手机板 【类 别】：典型高端消费类电子产品单板【难 点】：单板尺寸非常小，其主板是普通手机板的一半大小,外形怪异导致 布局受到很大限制；GSM&WCDMA双模手机导致射频区域很大，在布局 的时候射频模块整体放到基带芯片下面，导致基带芯片的打孔受到 很大限制。超薄的手机方案让板厚受限。原来准备采用ALIVH材料， 但出于成本考虑和降低风险采用了二阶盲埋孔方案，但布线要求 没有降低。【我司对策】：通过与多家PCB生产伙伴的沟通，确定了合适的设计参数；RF专家 参与PCB设计、严格的设计流程使单板的信号质量得到保证，仔细 的优化工作，使各方面的要求得到最佳协调。【结 果】：设计按计划实现并成功投板，调试顺利。最新的高速信号虚拟探测和均衡技术2010-03-08 来源：电子元件技术网 中心议题： 高速串行信号测试中的虚拟探测和均衡技术解决方案： 使用Eye Doctor进行高速信号测试在测试仪器内嵌入均衡技术来复现系统的真实性能【摘要】在高于2.5G比特率的串行数据传输系统中，信号经过PCB长距离传输线、连接器、过孔，到达接收芯片引脚的测试点时，信号已经严重衰减，即使示波器与差分探头的测试系统带宽足够高，很多测量结果基本没有意义因为眼图已经闭合。而往往SERDES接收芯片内部集成了均衡器，以补偿接收端信号的过大衰减，而信号经过均衡器处理后的眼图张开度又如何？这成为高速信号测量的前沿且核心的问题。在示波器内部集成均衡器，让客户订制滤波功能来仿真接收芯片的均衡特性，同时结合虚拟探测技术显然期望的测试点是在接收芯片内部，探针无法触及是目前高速测试的解决方案之一。本文是中兴通讯EDA高速实验室以三大示波器厂商之一的LeCroy示波器为例，简单介绍高速串行信号测试中的虚拟探测和均衡技术。【关键词】高速串行信号，LeCroy示波器，虚拟探测，均衡技术，Eye Doctor 1. 引言在高速serdes系统中， PCB的长距离传输线、连接器、过孔的阻抗不连续等因素对信号造成很大衰耗，比如6.25Gb/s的信号在FR4上走25英寸或者更远之后的眼图已经无法张开，为了解决这种衰耗问题，往往有两种方法，一种是在发射端使用预加重技术，一种是在接收端使用均衡技术。由于在SERDES接收芯片内部集成了均衡器，以补偿信号的过大衰减，但是测试时，直接测量接收端的信号基本没有意义，因为这根本无法代表接收信号的真实性能。在示波器内部集成滤波器，让客户订制滤波功能来仿真接收芯片的均衡特性，是目前高速测试的解决方案之一。中兴通讯EDA高速实验室作为公司的高速测试平台，解决过E1业务板、以太网口、千兆光口、高速互联系统等众多问题，对均衡测试等前沿技术也进行了研究，本实验室将以LeCroy的SDA6000A（带宽6GHz，20GS/s）为例，介绍最新的高速串行信号虚拟探测和均衡技术。SDA6000A的虚拟探测和均衡分析工具叫Eye Doctor，它是一个集成在LeCroy示波器内部的功能强大的软件包。2. 使用Eye Doctor进行高速信号测试 一、Eye Doctor功能介绍虚拟探测： 允许在系统的任何一个比较方便位置测试，然后反映出其他位置的波形。这些位置包括测试系统中不能探测的位置，比如芯片内部。可以提高测试精度：把仪器、探头、夹具带来的影响去掉；在信号最强的地方（通常是发射端）进行测试，然后推算出信号较弱地方的波形，而在发送端测试有更高的信噪比，比直接在接收端测试效果更好。使用通用的S参数作为模拟器的语言（S参数可以用矢量网络分析仪或者仿真建模软件提取）。接收均衡器模拟：高速串行芯片往往嵌入了接收均衡器，通过示波器的均衡模拟技术复现信号，可以反映出系统的真实性能。二、原理1、 虚拟探测图1 虚拟探测原理图1所示为Eye Doctor的虚拟探测原理，它由一个虚拟探测器件构成，相当于一个黑盒子，其性能跟输入的S参数有关，该S参数代表传输系统的网络参数。虚拟探测器左边输入实际测试得到的波形（比如发射端波形），右边输出即为虚拟探测波形（比如接收端或难以探测点的波形）。它最多可支持8端口输入和输出的系统，描述语言类似于Spice，接收Touchstone格式的S参数。2、 接收均衡器在高速数据传输中，为防止信号失真，通常有两种方法：一种是发射端采用预加重（Pre-emphasis），另一种是在接收端使用均衡技术，其结构如图2所示。 图2 高速数据传输系统预加重Pre-emphasis：为抵消传输通道的衰减，预加重通过加重任何信号变化后的第一个数据符号来对发射信号进行预失真处理，从而消除信道中脉冲响应的前沿过冲和后沿拖尾。接收均衡器receive equalization：接收均衡器通过在接收端放大信号中的高频分量来补偿传输损耗，而低频分量保持不变，让信号眼图张得最开。是预加重的一种替代或互补方案。判决反馈均衡器Decision feedback equalization (DFE)：根据解码数据改变信号的幅度，一个经典的判决反馈均衡器的结构如图3所示。图3 判决反馈均衡器的结构前馈均衡（FFE）的作用是去掉信号互调干扰，并将来自接收数据流的噪声“漂白”。DFE监测判决限幅器（Slicer）的输出，取出与限幅器判决相关的噪声，并反馈到限幅器的输入端，并从下一个信号中减掉。在FFE-DFE系统中，FFE和DFE的抽头数对整个均衡器有很大的影响。Eye Doctor的作用图4所示： 图4 Eye Doctor的应用例子三、应用实例：下面以中兴通讯EDA高速实验室的一个实际应用案例来说明Eye Doctor的应用。对图5所示的一个高速背板互联系统进行测试，信号经过连接器和背板，走线长度约为40In。 图5 高速互联系统1、发送端信号波形和眼图信号波形（图6）： 图6 发送端信号波形眼图质量很好，如图7示： 图7 发送端眼图2、接收端信号波形和眼图信号经过背板和连接器，到达接收端，信号变差，眼图变小，如图8、图9所示。如果不使用均衡技术，系统很容易出现误码，因此在高速接收芯片内部通常需要嵌入均衡器。 图8 接收端信号波形图9 接收端眼图3、虚拟探测得到的接收端波形下面我们来看看用eye doctor虚拟探测得到的接收端波形，在探测过程中，需要把传输网络的S参数输入到虚拟探测器件里面（图10）。该S参数EDA高速实验室使用网络分析仪加辅助子卡测试得到，如果实际应用时S参数不容易得到，也可以通过一些仿真软件提取，EDA高速实验室通常会使用SIwave、HFSS来提取S参数。 图10 使用eye doctor进行虚拟探测把虚拟探测波形和实际测试波形进行比较如下，可见吻合的相当的好（图11），虚拟探测可以作为测试的重要辅助手段。 图11 虚拟探测Vs实测波形：黄色为探测波形，青色为实测波形4、均衡模拟器把经过背板的已衰减信号加到示波器的均衡模拟器上，查看经过均衡的信号眼图。根据接收芯片实际情况，我们把FFE和DFE的抽头数分别设为3和1，点击Train，对均衡器进行训练（图12），就得到了均衡后的信号，其眼图如图13所示。 图12 均衡器的设置图13 经过均衡的接收端眼图对比图9可见，眼图质量大大提升，这代表了系统的真实性能，在测试仪器内嵌入均衡技术已经成为高速测试的解决方案之一。注：眼图显示时看到波形切断现象的解释：均衡算法时会对采样点进行幅度的提升，使均衡后的波形与理想的波形（下图中的decode的波形）相减后得到的差值最小。对于高频的码，为了补偿其衰减，均衡后的波形可能在上升或下降沿出现比较高的类似于过冲的波形，眼图显示时可能会看到切断的波形。 3. 结论在本例中，中兴通讯EDA高速实验室通过使用虚拟探测和均衡技术解决了高速串行信号的测试问题。在高速数据传输中，往往采用均衡处理技术来扩展信号的传输距离，直接测量接收端的信号基本没有意义，因为这根本无法代表接收信号的真实性能。在测试仪器内嵌入均衡技术来复现系统的真实性能，已经成为高速测试的重要解决方案。Eye Doctor是LeCroy高端示波器的一个软件包，它包含两个功能：虚拟探测，均衡模拟。这是高速串行数据测试中非常重要的功能，有时候是必需的。虚拟探测是高速测试中的一个新方法，可以做得相当准确，但需要系统的S参数，这并不容易得到，可以通过一些仿真软件提取。参考资料1. （美） LeCroy Corporation，Eye Doctor Operators Manual，2007年1月2. （美） Leo Wong， Rambus公司，如何解决高速背板的信号完整性问题，2006原创文章：/public/art/artinfo/id/80005478【请保留版权，谢谢！】文章出自电子元件技术网。解决背板互连中信号完整性问题的两种方案随着高带宽业务需求的快速增加，以及满足高速度和性能的新系统开发的增多，在这些互连中的信号完整性变成了在部署高速通信链路和业务时的基本要求，也是工程师面临的主要挑战之一。本文介绍两种简单的信号完整性解决方案，可以有效解决大部分的基本背板互连设计问题。 图1：背板问题-高速信号随着速率和距离的增加而快速劣化。图中显示的是在背板距离在1英寸到14英寸的条件下5Gbps数据传输。不断部署的高带宽业务逐渐逼近已有网络和通信系统基础设施的极限，推动了新系统的发展。在升级现有设备或设计新系统以获得更高速链路时，背板互连的信号完整性是需要解决的一个基本问题，较集中的高速链路为背板互连、以及任何网络或通信系统带来了压力。应用密集的高速链路引入了噪声、串扰和信号劣化，当在跨背板或电缆环境下采用更长的链路时这个问题更严重。这样一来，在这些互连中的信号完整性变成了在部署高速通信链路和业务时的基本要求。在整个开发过程中，这个基本的设计问题需要特别的关注。 高速和宽带系统的普遍增长在网络和通信设备中引起了独特的信号完整性问题，好的信号完整性是提供可靠通信链路的基本要求。这是一个设计问题，需要在整个开发过程中特别关注。现在已经有简单的信号完整性方案可以用来解决大部分的基本背板互连设计问题。 表1：在FR4材料上，单个数据位的幅度损耗。典型的背板应用涉及到在背板上长达20英寸(50厘米)的数据路径，以及插在背板上的卡的另外长达10英寸(25厘米)长度。绝大多数的PCB用FR4电介质生产，因为成本和可用性的原因，这种情况将保持很长的时间。 这些决定于频率的PCB印制线损耗、连接器的滤波效应、PCB布局环绕连接器以及端点组件都使信号劣化，这影响到以低误码率发送和接收数据的能力。 方案一：异步EQ技术 通过了解在不同数据速率下PCB印制线的典型损耗特性，可以部分地理解信号完整性问题。一个品质因素是在感兴趣的数据速率下单个数据位的信号幅度损耗，如表1所示。 连接器和布局非连续性效应增加了上面的问题，这两个问题趋向于产生在某些频率处的幅值响应下降，经常在某些临界频率上产生陡的滚降。 图2：背板方案-有源均衡可以在低延迟的条件下高质量恢复劣化数据。图1显示了最大的数据路径长度约24英寸的背板上典型信号劣化情况，24英寸的长度中，14英寸为背板自身的长度。图中显示的波形来自于传统的背板，而不是设计用于数据运行速率高达2.5Gbps的背板。如上面所显示，大多数的信号完整性问题可以采用简单的有源均衡方法解决。在一般的应用中，有源均衡可以去除高达80%的抖动。 有源均衡器可以看成是一个无源均衡器(滤波器)和一个放大器的集成。通过适当的处理，可以得到能几乎消除有损线路影响的电路。最终电路的延时一般非常低，低于一个纳秒，这意味着对总体的系统延时产生的影响最小。滤波器和放大器的特性可以做成可调节，以使均衡器特性能更好地匹配链路特性。 在这样一个异步电路中，片上PLL不会增加抖动，因此不会影响到链路的随机抖动预算。而且，因为均衡特性并不受特定的时钟速率约束，因此设置不需要随数据速率而改变，而仅仅是传输路径的函数。 可编程有源均衡器避免了信号处理的复杂性和自适应均衡器方案的功耗，可以设计用来产生在很宽范围的抖动条件下几乎平坦的响应。在很多情况下，自适应均衡器依赖于一些信号假设特性，例如数据速率或者编码，将给定电路的适应性限制到某些信号 类型。在一些情况下还需要同步采样，这意味着需要采用一个参考时钟、一个时钟和数据恢复电路以及高速采样电路。 同时具有输出预加重和输入均衡对于均衡器只能安装在通信链路的一端的情况非常有用。尽管两个方法大致上等同，一个好的均衡电路设计可以需要很少的调整就能得到最佳的结果。而且，输出预加重就是大大增强信号的高频部分，这会增加串绕噪声。 图2显示了相对于早先图中相同的背板而言信号所产生的变化，图中在链路的接收端增加了一个有源滤波器(Vitesse VSC7104)。注意到在背板的每个点上接收的均衡信号实质上是相同的，这表明了有源均衡器的抖动平衡能力。 对于信号劣化主要是由于决定于PCB或者电缆损耗以及连接器的非连续性问题而产生的情况，可编程有源均衡器提供了一种简单、低成本、低