（通信与信息系统专业论文）10g小型化热插拔光收发模块高速电路设计与研究.pdf

武汉理一f ：人学硕十学位论文 摘要 随着宽带接入的不断普及以及数据业务和语音、视频、图像等多媒体综合 业务的蓬勃发展，传统的骨干网( 包括局域网、广域网等网络) 容量已不能满 足需求：这就需要丌发出传输容量更大、价格更低廉以及传送更高效的光网络。 基于这种情况，万兆光网络一系列标准得以制定；这促使1 0 g 光器件、光模块 以及光传输系统相关技术得到快速的发展。x f p 是一种可热插拔、小型化、串行 一串行、数据透明的多速率光发送和光接收一体的光模块，可处理电信业务 s t m 一6 4 、g 7 0 9 “o t u - 2 和数据业务1 0 g e 、1 0 g f c 。由于x f p 其价格低、小型化、 可热插拔、与协议无关等优点，被认为是最有前景的1 0 g 光模块技术。 由于要在很小的面积上集成光检测器、放大器、激光器、驱动器以及各种 告警、监测控制信号电路，使技术难度加大；而且数据传输的速率达到l o g b i t s ， 就必须考虑高速设计带来的信号完整性、电源完整性以及e m c 等一系列问题。 课题中所做的主要工作如下： 1 、针对高速电路中的信号完整性和电源完整性等相关理论进行分析，探讨 了高速数字互连仿真设计中所用的器件模型和设计工具，提出了x f p 光收发模块的设计方法和流程。 2 、根据对x f pm s a 的分析和关键技术的讨论，提出了完整的x f p 光模块 的设计方案，并采用高速电路仿真设计的方法，完成了硬件电路的设计。 3 、采用c a d e n c e 仿真设计软件，完成了x f p 光模块的八层p c b 板的仿真 和设计工作。 4 、本课题的实现特点是将s 1 分析的思想贯穿在整个工程设计过程中。从 方案设计、器件选型以及原理图设计就考虑高速设计因素；在p c b 基材 选择、层叠、阻抗设计、布局和布线等方面就考虑可能会带来的s i 和 p i 因素；同时在这一过程中不断优化和调整，得到最优化的设计方案。 在布线阶段，对实际走线进行不断的仿真，解决出现的问题。 测试结果表明，设计的x f p 光收发模块各项指标达到设计要求。本设计方 法既降低了研发成本，又缩短研发时间。 关键词：x f p ，高速电路，信号完整性，电源完整性，电磁干扰 武汉理r 大学硕十学位论文 a b s t r a c t t r a d i t i o n a lb a c k b o n en e t w o r k ( i n c l u d i n gl a n ，w a n ，e t c ) c a p a c i t yc a nn o t m e e tt o d a y sd e m a n d w i t ht h ee v e r g r o w i n gp o p u l a r i 锣o fb r o a d b a n da c c e s sa n d d a t aa n dv o i c e ，v i d e o ，i m a g e sa n do t h e rm u l t i m e d i ai n t e g r a t e db u s i n e s s f l o u r i s h s o ， w en e e dt od e v e l o pag r e a t e rt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , l o w e rp r i c e sa n dm o r ee f f i c i e n t t r a n s m i s s i o no fo p t i c a ln e t w o r k b a s e do nt h i ss i t u a t i o n ，as e r i e so fs t a n d a r d so f10 g i g a b i to p t i c a ln e t w o r ka r ed e v e l o p e d t h e r e f o r e ，r e l a t e dt e c h n o l o g yo f10 go p t i c a l d e v i c e s ，o p t i c a lm o d u l e sa n do p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m sa r ed e v e l o p e d t h em o d u l e i sah o tp l u g g a b l es m a l lf o o t p r i n ts e r i a l t o - - s e r i a ld a t a - a g n o s t i cm u l t i r a t eo p t i c a l t r a n s c e i v e r ，i n t e n d e dt os u p p o r tt e l e c o m ( s t m 一6 4 、g 7 0 9 “o t u 一2 ) a n dd a t a c o m a p p l i c a t i o n s ( 1 0g b se t h e r n e ta n d1 0g b sf i b r ec h a n n e l ) t h e r e i sn os e r d e si nt h e m o d u l e t h ee l e c t r i c i a li n t e r f a c eo fx f pi sx f i ( d a t ar a t eo fd i f f e r e n ts i g n a l i s10 g b i t s ) w h i c h s u p p o r t a l ld a t ae n c o d i n g sf o rt h e s et e c h n o l o g i e s x f pi s c h a r a c t e r i z e d b yl o s c o s t ，m i n i a t u r i z a t i o n ，p l u g g a b l e a n d s e l f - d i a g n o s e s a t p r e s e n t ，x f pi sc o n s i d e r e da st h em o s tp r o m i si n g10 go p t i c a lm o d u l e s i n c ei t r e q u i r e s t o i n t e g r a t eo p t i c a ld e t e c t o r , o p t i c a la m p l i f i e r ，o p t i c a l t r a n s m i t t e r ，d r i v e ra n dv a r i o u sw a r n i n ga n dm o n i t o r i n gc o n t r o lc i r c u i t sw i t h i nas m a l l a r e a , h o w e v e r ，t h ed i f f i c u l t yi n c r e a s e sc o r r e s p o n d i n g l y w i t hd a t a r a t e u pt o 10 g b i t s ，i ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e ras e r i a lp r o b l e m s ( s u c ha ss i g n a li n t e g r i t y , p o w e r i n t e g r i t ya n de m c ，e t c ) i nh i g n s p e e dd i g i t a ld e s i g n t h em a i ni s s u ei nt h ep r o j e c ta r ea sf o l l o w s ： 1 、t h ep a p e rr e s e a r c h e sa n da n a l y s e st h es i g n a li n t e g r i t y ，p o w e ri n t e g r i t ya n d o t h e rc o r r e l a t i v et h e o r yi nh i 曲一s p e e dc i r c u i t ，a n dd i s c u s s e st h ed e v i c em o d e la n d d e s i g nt o o l s ，w h i c hu s e di ns i m u l a t i o nd e s i g no fh i g h s p e e dd i g i t a lc i r c u i t a n d d e s i g nm e t h o d sa n dp r o c e s s e so fx f p a r ea l s op r o p o s e d 2 、b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no fx f pm s aa n dk e yt e c h n o l o g i e s ，t h e a u t h o rp r o p o s e sac o m p l e t ex f pp r o j e c t ，a n dc o m p l e t e st h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n b yu s i n gs i m u l a t i o na n dd e s i g nm e t h o d s 1 1 武汉理+ i ：大学硕十学位论文 一_ _ - _ - 一 3 、t h ea u t h o rc o m p l e t et h ee i g h tf l o o r so ft h ep c bb o a r d ss i m u l a t i o na n d d e s i g nb yu s i n gc a d e n c e 4 、t h i si s s u e sf e a t u r e si st h ea n a l y s i so fs ir u n st h r o u g hi nt h ee n t i r ep r o c e s so f p r o j e c td e s i g n s ia n d p ip r o b l e m sm u s tb ec o n s i d e r e dn o to n l yi ni d e ad e s i g n 、d e v i c e s e l e c t i o na n ds c h e m a t i cd e s i g ns t a g e ，b u t a l s o i nc h o s eo fs u b s t r a t e 、s t a c k u p 、 i m p e d a n c ed e s i g n a n dl a y o u ts t a g e ，a n do p t i m a ld e s i g nc a l lb ec o m p l e t e db y o p t i m i z i n ga n da d j u s t i n gi nt h i ss t a g e p r o b l e m s a r es l o v e db ys i m u l a t i n ga c t u a l r o u t i n gi nr o u t i n gs t a g e t h er e s u l t so ft e s ti n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo fx f p a c h i e v e sa l lr e q u r s t s t h i sa p p r o a c hn o to n l yr e d u c e sd e v e l o p m e n tc o s t s ，b u ta l s os h o r t e nd e v e l o p m e n t p e d o d k e yw o r d s ：1 0 g i g a b i ts m a l lf o r m - f a c t o rp l u g g a b l et r a n s c e i v e r ，h i g n s p e e dc i r c u i t ， s i g n a li n t e r g r i t y ，p o w e ri n t e r g r i t y ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) x 汲期： 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 光模块的发展方向 光收发模块技术经历了从收发单独到收发一体的发展历程，在收发一体光 模块技术中，包含了发射、接收、各种功能电路、标准化光纤连接器和电信号 接口技术，形成高度集成的系统模块。目前传输速率达2 5 g b s 的光收发模块技 术已经成熟，1 0 g b s 的光收发模块技术也大量应用。当前，光模块技术不断走 向成熟，其发展方向是高速率、低成本、小型化、热插拔、低功耗、智能化、 远距离。智能s f p 模块，1 0 g 光模块以及并行光纤通道将成为新一代光收发一体 模块中的亮点。而x f p 被认为是1 0 g 光模块中最有优势的一种类型。 当更多的千兆以太网端口应用到网络中时，1 0 g 以太网用于会聚的需求就会 凸显。除了以太网交换机市场，目前存储局域网、r a i d 系统、磁盘阵列、主机 总线适配器、高端服务器和网关、城域网中的路由器也均开始广泛采用1 2 5 g b p s 光信道，下一代将是4 g b p s 年f ll o g b p s 光信道，这使得高速光模块的市场 不断扩大。由于光收发模块集成化程度越来越高，因此1 0 g 以太网光接口的功能 完全可以由一个光模块来实现。在1 0 g 市场，目前的问题仍然是价格太高；但是 在可预见的未来几年，1 0 g 光模块的价格将得到大幅度下降，这将极大的推动1 0 g 光模块的市场。 表1 1 各种1 0 g 光模块性能对比 支持的特性x e n p a k x 2x f p 所有i e e e 端口类型 支持支持 除l x 4 以外 1 仁i e e e 端口类犁支持( 8 0 k m d w d m )不支持不支持 尺寸( m m ) 1 2 6 3 6 1 7 1 0 0 3 6 1 27 8 1 8 1 0 连接器类型s c s cl c 除万兆以太网以外 不支持 不支持 o c 一1 9 29 9 5 g b s ， 的协议 g 7 0 91 0 7 0 9 g b s 武汉理一r 大学硕士学位论文 l i g h tr e a d i n g 杂志的研究报告显示，l o g 光模块将是未来几年最具市场潜 力的光模块。现在应用比较广泛的1 0 g 光模块有以下几种：3 0 0 p i n 、x e n p a k 、x p a k 、 x 2 和x f p 。其中3 0 0 p i n 属于第一代模块，主要应用于s d h ，把电接口改成1 0 g 以太 网1 6 位接口( x s b i ) 后也可应用于l o g 以太网；x e n p a k 是针对l o g 以太网推出的第 一代光模块，采用i e e e8 0 2 3 a e 标准中的1 0 g 附加单元接口( x a u i ) 作为数据通路； x p a k 和x 2 是x e n p a k 光模块的直接改进版，体积缩4 x 4 0 左右；x f p 是一种外形紧 凑、价格低廉的光模块，类似于千兆以太网的小型化可拔插光模块( s f p ) 。 目前来看，x e n p a k 光模块推向市场最早，技术成熟度较高，提供x a u i 接口 的芯片也较多，因此应用比较广泛。而x p a k 、x 2 虽然在体积上仅有x e n p a k 的一 半，但成本l t x e n p a k 光模块高，只能作为一种过渡性的产品出现。由于x f p 光模 块的出现和技术的飞速发展，很多厂商都已放弃x p a k 、x 2 光模块的开发，直接 转向x f p 光模块。x f p 模块的把复用和解复用电路放在模块外，进一步减小模块 体积和系统成本，实际尺寸大约是现在s f p 模块的1 5 倍，因此优势将十分明显。 近几年来x f p 在电信网和存储网络中强大的竞争力使其越来越受到器件厂 商的青睐。在a s i c 技术日益成熟的条件下，它被认为是最有前途的一种l o g 光模 块技术。 1 1 2 国内外研究动态 2 0 0 2 年6 月，i e e e 通过了l o g b s 速率的以太网标准i e e e8 0 2 3 a e 。 2 0 0 3 年1 1 月，英飞凌开发了第一个采用x p a k 技术的i o g b e 收发模块，该模块 采用了一个带有电子色散补偿( e d c ) 的1 3 1 0 n m 激光器，并在小带宽多模光纤上 成功进行了超过3 0 0 米的传输演示，证明了使用单激光器的收发器在己铺设的低 带宽光纤架构高速传输的可行性。 x f pm s a ( 1 0 g b , 形状因数可插拔多源协议) 组织定义了用于数据通信和电 信的l o g b p s 串行收发器，该组织由数据通信行业和电信行业中处于领先地位的 网络公司、系统公司、光模块公司、半导体公司以及连接器公司组成。于2 0 0 1 年创办该组织的成员公司有b r o a d c o m 公司、b r o c a d e 公司、e m u l e x 公司、f i n i s a r 公司、j d su n i p h a s e 公司、m a x i m 公司、o n is y s t e m s 公司、i c s 公司、t y c o e l e c t r o n i c s 公司和v e l i o 公司。目前，已经有6 0 多家专门从事光学、集成电路 和系统实施的公司做为捐助者和采纳者加入了x f pm s a 。 目f ； ，推出各种类型的l o g b sx f p 光模块的国外厂商有：f i n i s a r 、o p n e x t 、 2 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 b o o k h a m 、i n t e l 、a g i l e n t 、n e c 、住友电气等。目前主要的国外芯片( x f p 模 块使用i c ) 厂商有：g e n n u m 、a d i 、m a x i m 、v i t e s s e 等。 到目前为止，国内仅有w t d 、迅捷光电开发出x f p 光模块，w t d 已开发出 l o g b i t sr o s a ( r e c e i v e ro p t i c a ls u b a s s e m b l y ) ，但国内还没有开发出商用 的l o g b i t st o s a ( t r a n s m i t t e ro p t i c a ls u b a s s e m b l y ) 出来。 1 2 研究目的和意义 c i r 在其2 0 0 6 年发布的调查报告中指出，蛰j 2 0 1 1 年，用于数据和电信网络中 的l o g b p s 转发器和收发器模块的产值将达到4 2 亿美元；经过长时间的等待后， 4 0 g 市场也将在2 0 0 8 年启动，预计这部分市场的产值j ! u 2 0 11 年将达到3 5 亿美元。 随着宽带多媒体业务的迅猛发展，全球光通信市场还将继续增长。由此可见i o g 光模块未来市场广阔，尤其是x f p 光模块由于其小封装、多速率、热插拔等方面 的优点更将是未来i o g 光模块的市场主导。 随着我国加入w t o ，通信运营业和通信设备制造业所面临的竞争局势更加严 峻。l o g b i t ss d h ( 甚至4 0 g b i t s ) 的光纤通信设备和系统是光传输网的发展 方向，是光纤通信的制高点，也是光通信技术实力的标志之一【2 】。l o g b p s 光发射、 光接收模块技术的突破，将使我国在光通信领域与国际水平的差距进一步缩小， 对我国民族光通信产业的发展有重要意义。这其中关键的一点就是要研究开发 l o g b p s 光模块，它是l o g b p s 光纤传输系统的关键技术之一。进行l o g b p s 光模块 的开发不仅是适应光通信的发展，产生明显的经济效益和社会效益，而且能在 平抑国外产品价格的同时，更加有力推动国产高速传输系统的发展。 本课题的目的是借助新的高速设计理念和设计方法，在较短的周期内开发 出性能优越的x f p 光收发模块。x f p 光收发合一模块具有小型化、可热插拔和自 诊断功能，它是通信用光电模块发展的必然趋势。然而，其技术实现难度也相 应加大。要在很小的面积上集成光发射机、光接收机以及数字诊断电路，并且 数据速率高达l o g b p s ，所以互连设计过程中要充分考虑高速信号带来的信号完 整性( s i g n a li n t e g r i t y ) 问题和电源完整性( p o w e ri n t e g r i t y ) 问题。因此必 须采用仿真分析的方法来辅助高速数字设计。 在l o g b i t s 光收发模块的设计中，信号完整性问题不是由单一或几个因素 导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。元器件和p c b 板的参数、元器件 在p c b 板上的布局、高速信号的布线等因素，都会引起信号完整性问题，导致光 武汉理一 大学硕十学位论文 模块性能劣化，工作不正常、甚至完全不工作。s i 、p i 以及e m c 作为高速数字系 统设计的重要内容，已经成为当今电子设计者无法回避的问题。除了面临高速 高密度电路板所带来的挑战外，产品快速面世的压力更是使仿真成为系统设计 必不可少的手段。一方面，运用新的设计方法和流程，在设计阶段找出问题， 从而高效率、高质量地完成x f p 光模块设计；另一方面，在设计的过程中研究高 速设计中的s i 、p i 以及e m c 问题，解决或验证一些目前困扰高速数字设计业界的 关键设计问题，完善其理论并探讨适合的高速数字电路设计方法，为中国的高 速数字设计事业添砖加瓦。这一切都具有十分重要的理论及实践意义。 1 3 课题研究工作和论文主要内容 本课题研究是建立在对光纤通道以及x f pm s a 有关标准分析的基础上，从高 品质、低成本以及短的研发周期设计思路出发，提出l o g b i t s x f p 光收发模块实 现技术方案，采用基于仿真分析的高速设计方法，对技术方案进行了研究和仿 真分析，设计出性能优异的x f p 光模块。 全文分六章，论文各章节内容简介如下： 第一章介绍光模块的发展方向以及x f p 光模块国内外动态，并结合x f p 光模块 开发讨论课题研究的目的和意义。 第二章介绍了高速数字电路设计的相关理论，分析了信号完整性以及电源完 整性给高速设计带来的众多问题，并一一进行了详细的讨论，最后给出了解决 问题的方案。 第三章首先介绍了高速设计中使用的几种常见的模型的特点并进行比较。同 时就笔者使用的几种不同的辅助设计工具进行介绍，最后分析传统设计缺点并 提出了适合高速设计的思想以及设计方法，并给出设计流程。 第四章首先讨论了l o g b i t sx f p 光收发模块的相关原理，明确设计目标并进 行方案设计，同时讨论了光模块高速设计中涉及的关键技术( 如差分信号设计、 电平选择和互连、光器件与调制等) ，结合模块完成原理级设计。 第五章介绍了按照高速设计的思想对光模块进行设计，然后就设计中出现的 信号完整性、电源完整性以及相关问题进行讨论，并借助辅助工具进行仿真分 析，对设计进行优化使性能更优，从而完成8 层p c b 的设计：最后对光模块性能 进行测试。 第六章则是本文的总结和展望。 4 武汉理一t ：大学硕+ 学位论文 第2 章高速电路设计基本理论 2 1 高速数字电路定义 所谓高速数字电路p j ，是指由于信号的高速变化而使得电路中的模拟特性， 如导线的电感、电容等发生作用的电路。一般认为，如果数字逻辑电路的频率 达到或者超过5 0m h z ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到整个电子系统 的1 3 ，就称为高速数字电路。但更为准确的是根据信号边沿变化的速度来定义 的，是信号快速变化的上升沿与下降沿引发了传输的非预期结果。因此，通常 约定如果线传播延时大于数字信号上升时间的一半，则认为此类电路是高速数 字电路。 与低速情况相比，高速数字设计着重强调了数字电路之间用来传输信号的路 径，即互连，包括从发送信号芯片到接收信号芯片间的完整的路径，包括封装、 走线、连接器、插座以及许多其他的结构。高速数字电路设计主要研究互连对 信号传播的影响、信号间的相互作用以及和外界的相互作用。 2 2 信号完整性 信号完整性( s i ) 是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如 果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达i c ，则该电路具有 较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。 从广义上讲，信号完整性问题主要表现为以下几个方面：时序、反射、串扰和 同步开关噪声( s i m u l t a n e o u ss w i t c h i n gn o i s e ) 。 2 2 。1 反射 2 2 1 1 反射机理 当驱动器发射一个信号进入传输线时，信号的幅值取决于电压、缓冲器的内 阻和传输线的阻抗。驱动器端看到的初始电压决定于内阻和线阻抗的分压。 如果传输线末端终接的阻抗正好和线的特征阻抗匹配时，幅值为v i 的信号端 接到地，这样电压v i 将保持直到信号源再次转变。否则，如果传输线的术端出 现的阻抗不同于传输线特征阻抗，信号的一部分端接到地，而信号的剩余部分 武汉理。i ：人学硕+ 学位论文 将沿着传输线向源头端反射回去。反射系数决定了反射回去的信号数量，它被 定义为给定节点上的反射电压和入射电压的比值【4 】。 如图2 - 1 所示，当入射波达到终端z t 时，信号的一部分pv i 被反射回到源头 端，并与入射波叠加在线上产生一个总的幅值pv i + v i 。反射的分量将会传播 回源头端，并可能产生另一次离开源头的反射。这个反射和逆反射过程将继续， 直到传输线达到稳定状态。 ：妇垄 z o + z s z t z b p 2 荔了云0 厶l 十厶 图2 - 1 入射信号被不匹配负载反射 在本文中，节点定义为传输线上的阻抗不连续点。阻抗的不连续可以是一段 不同特征阻抗的传输线、一个终端电阻或芯片上缓冲器的输入阻抗。反射系数 计算如下： p = 芒= 籀- - t - - u 髀- ， 胪荣2 瓦i 咄。1 式2 - 1 中，z o 为传输线特征阻抗，而z t 是不连续的阻抗。等式假定信号沿着 特征阻抗为z o 的传输线行进并遇到不连续阻抗z t 。注意：如果z o 等于z t n 反射 为零，意味着没有反射。z o 等于z t 的情况称为终端匹配。 2 2 1 2 解决方案 传输线上的反射会对数字系统性能有重要的负面影响。为了最小化反射的负 面影响，通常采用的方法是给传输线两端进行阻抗匹配，并消除反射。根据端 接的位置通常有两种端接方案，现在分别进行就明。 l 源端端接 图2 2源端端接 6 武汉理：r 大学硕十学位论文 源端端接也称串联端接，通常在尽量靠近源端的位置串联一电阻来实现驱动 器输出阻抗与传输线阻抗相匹配。如图2 2 所示，串行端接是匹配信号源的阻抗， 所插入的串联电阻阻值加上驱动源的输出阻抗应大于等于传输线阻抗( 轻微过 阻尼) 。这种策略通过使源端反射系数为零，从而抑制从负载反射回来的信号 ( 负载端输入高阻，不吸收能量) 再从源端反射回负载端。 串行端接的优点在于：每条线只需要一个端接电阻，无需与电源相连接，消 耗功率小。串行端接的缺点在于：当信号逻辑转换时，由于r s 的分压作用，在 源端会出现半波幅度的信号，这种半波幅度的信号沿传输线传播至负载端，又 从负载端反射回源端，持续时间为2 t d ( t d 为传输延迟) ，这意味着沿传输线不 能加入其它的信号输入端，因为在上述2 t d 时间内会出现不正确的逻辑态。 2 。终端端接 v c c 乙 n 罡l ab z j 占苫乏 图2 3终端端接类型刚5 】 表2 - 1几种终端端接方案比较 并联戴维宁r c二极管 使h j 逻辑电平 e c lt t l 、e c l 、i i a s tf a c t腕 端接电阻值r z o2 z oz o 无 终端电容 0 o t 詹c 2 t d 无 功耗最高最高中等 驱动能力强强 传输延时 不增加不增加 不增加 上升时间不增加不增加增加 改善类型一次反射一次反射一次反射 武汉理t ：大学硕十学位论文 终端端接的主要方式如上图2 - 3 所示，在这里不进行一一讨论。在表2 - 1 中可 以看到几种终端端接方式的优缺点以及应用场合。 2 2 2 串扰 串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期 望的电压噪声干扰。由于自身的逻辑电平发生变化，通过电容耦合和电感耦合而 对其他信号产生影响的信号线称为“攻击线 ( a g g r e s s o r ) ，即干扰线。受到 影响而导致自身逻辑电平发生异常的信号连线我们称为“牺牲线”( v i c t i m ) ， 即被干扰线。串扰噪声表现为在一根信号线上有信号通过时，在p c b 板上与之相 邻的信号线上就会感应出相关的信号。 2 2 2 1 串扰机理 如图2 4 所示，传输线a b 和c d 的特性阻抗为z0 i ，且终端匹配传输线a b 的电阻 r = z o 。如果位于a 点的驱动源为干扰源，则a b 问的线网称为干扰源网络 ( a g g r e s s o rl i n e ) ，c d 之间的线网被称为被干扰网络( v i c t i ml i n e ) ，被干扰网 络靠近干扰源网络的驱动端的串扰称为近端串扰( 也称后向串扰) ，而靠近干扰 源网络接收端方向的串扰称为远端串扰( 也称前向串扰) 。串扰主要源自两相邻 导体之间所形成的互感l m 和互容c m 。 图2 4串扰模型 1 感性耦合【6 】【7 】 在图2 4 中，先只考虑互感l m 引起的感性耦合。线路a 到b 上传输的信号的磁 场在线路c 到d 上感应出电压，磁耦合的作用类似一个变压器，由于这是个分布 式的传输线，所以互感也变成一连串的变压器分布在两个相邻的并行传输线上。 当一个电压阶跃信号从a 移动b ，每个分布在干扰线上的变压器会依序感应一个 干扰尖脉冲出现在被干扰网络上。互感在被干扰网络上叠加的这个电压噪声， 其大小跟干扰网络上驱动电流的变化成正比。由互感l m 产生的噪声计算公式为： 武汉理i ：人学硕十学位论文 k k 2 厶鲁 ( 2 - 2 ) 值得注意的是，每一段的互感耦合的极性是不同的，这些感应到被干扰网路 的干扰能量依序前向和后向，但极性相反，沿着传输线c d 分别往c 和d 点行进。 如图2 5 所示，往c 方向的前向干扰能量和入射电压及每个互感分量l m 成正 比，因为所有前向干扰能量几乎同时抵达c 点，所以前向干扰能量与两传输线的 互感总量成正比，传输线平行的长度越长所产生的互感总量就越大，前向干扰 能量也随即增加；然而往d 点的后向干扰能量与往c 点的前向干扰能量不同的是， 虽然两者耦合的总区域是一样的，但每个互感变压器所感应的干扰分量是依序 到达d ，后向干扰能量的有效时间长达2 t p ( t 为传播延时) ，随着线路平行长度( 即 互感增加) 的延长，后向串扰的幅度大小是不变的，而持续时间会增加。 图2 5 互感耦合的前向、后向串扰波形 2 容性耦合【6 】【7 】 互容是产生串扰的另一个机制。互容c m 会对被干扰网络产生一个感应电流， 该电流正比于干扰网络上电压的变化速率，由互容c m 产生的噪声计算公式为： ， 一d v 。础，c _ 2 l ”百( 2 - 3 、 分布式耦合电容的耦合机制和分布式电感耦合相类似，区别在于耦合的极 性。如图2 6 所示，互容耦合的前向和后向干扰能量的极性都是正的。 d f i 寸 图2 6 互容耦合的前向、后向串扰波形 9 武汉理l ：人学硕十学位论文 3 互感和互容的合成效应 通常，容性串扰和感性串扰是同时发生的。通过分析可以分别得到近端和远 端的总串扰的计算公式，它们是分别由容性耦合和感性耦合叠加而成的。 近端串扰总噪声为： = ，g + ， 寺刍c + 百1 争( 2 - 4 ) ：三( 刍+ 生) 4l、c 7 v 远端串扰总噪声为： 2 ，c - + ， = 吾z o 巳上百d v + ( - j 1 象筝 = 知g 专警 5 ， 其中z o ，c ，z ，q ，厶分别为传输线的特征阻抗、单位长度电容、单位长度 电感，两传输线之间耦合电容、耦合电感，两传输线平行长度和电压峰值。 由以上两式，可以看出远端串扰总噪声由于容性和感性耦合的极性关系而相 互消减，即远端串扰是可以消除的。在p c b 布线中，带状线( s t r i p l i n e ) 电路更 能够显示感性和容性耦合之间很好的平衡，其前向耦合能量极小；而对于微带 线( m i c r o s t r i p ) ，与串扰相关的电场大部分穿过的是空气，而不是其它的绝缘 材料，因此容性串扰比感性串扰小，导致其前向耦合是一个小的负数。这也就 是通常设计中，常忽略远端串扰的干扰，而较着重于近端串扰改善的原因。 2 2 2 2 解决方案 hif r 4 一 髓( 直流电源平面) 6 ( 信号层) 图2 - 7 尺寸对串扰的影响 1 0 武汉理r = 人学硕+ 学位论文 由于很多电路板实际上需要满足预先设计的尺寸要求，那么就不可避免得会 产生一定程度的串扰。本节总结了一些减少串扰的一般规则【4 l ，可能会对设计者 们有一定的帮助。 1 在布线允许的条件下尽可能加宽走线间距。 2 在设计目标阻抗时，应该尽量使导体靠近地平面( 例如，最小化h ) 。使 得传输线可以紧密地与地平面进行耦合，这样可以减少对i 临近信号线的干扰。 3 对于要求严格的网络( 如系统时钟) 使用差分线技术。 4 如果相邻层的传输线有较严重的耦合存在时，走线时应彼此正交。 5 将信号线设计成带状线或埋式微带线，以消除传输速度的变化。 6 。尽量减小信号间平行走线的长度。 7 尽量使用上升边沿慢的器件，但是使用此方法要非常小心，否则容易产 生负面影响。 2 2 3 同步开关噪声 2 2 3 1 同步开关噪声机理 同步开关输出噪声【4 】( s i m u l t a n e o u ss w i t c h i n go u t p u tn o i s e s s o ) 有 时也被称之为同步开关噪声( s s n ) 或者是i 噪声，是由于多个输出端同时发 生开关而引起的感应噪声。例如，如果一个信号本身发生开关，那么这个信号 具有很好的信号完整性，但是同一总线上所有信号都同时发生开关，那么其它 信号的开关产生的噪声就会破坏该信号原有的信号质量。 s s n 通常很难进行量化。因为它非常依赖于系统的物理结构，不过其基本原 理可以用下面这个熟悉的公式来表示。 = n 宰毛9 d p 幸( d i d t ) ( 2 - 6 ) 公式中，v s s n 为同步开关噪声，n 是同时开关的驱动器的数量，l t o t 是电流 流过的路径上的等效电感，i 是每个驱动端的电流。当大量的信号同时发生开关 输出的时候，电源就要提供充足的电流来满足这样突然的需求，由于电流必须 经过电感l t o t ，那么就会引入一个噪声电压v s s n ，接着这个噪声电压就会在驱 动器的输出端体现出来。 s s n 在芯片级和系统级都会出现。从芯片级考虑，电源的供给不是完全理想 的，任何突然的电流需求都需要板级的电源系统来提供，这就必然要经过感性 的芯片封装和引线框架( 或者任何互连机制) 。再从板级考虑，瞬间的电流供 武汉理：i ：大学硕七学位论文 应都要通过感性的连接器，通过连接器的任何电流都需要通过电源和地管脚而 回流，这样就会给系统引入噪声。非理想的回流路径将增加不连续点处的有效 串联电感。此外，如果回路的不连续使得多个输出驱动器的信号回流在同一小 块区域内叠加，那么s s n 的情况将更加恶化。 供电l 乜源电感 元件 电路扳 输出 输入 输出 输出 图2 8 同步开关噪声的产生机制 s s n 是一种难以捉摸其特性的噪声，并没有很多方法可以快速地对它的值进 行评估。由于这个问题的困难度，所以建议对s s n 的估算最好是通过仿真和测 量的双重途径。而对于这种噪声源的控制，也只能遵循一些通过的规则。 2 2 2 2 减小s s n 的策略 可以采取下面的一些措施来减d 、s s n 的影响【4 j ： 1 、如果可能的话，对关键信号( 如选通信号和时钟) 采用差分形式的驱动和 接收电路。 2 、尽可能增大片上电容。这样就提供了一个电荷“储水池”，且没有电感分 隔。如果电容足够大，就可以看成是一个电池，能及时对瞬态的电流进行补偿。 3 、最大化器件周围的去耦电容。将板级去耦电容尽可能靠近器件的电源和 地管脚放置。 4 、合理对i o 管脚进行分配，增强信号和电源地管脚之间的耦合。 5 、降低信号的边沿速率。使用此方法要非常小心，否则容易产生负面影响。 6 、将处理器的内核逻辑电路和外部i 0 的电源供给分开，这样可以降低s s n 耦合到内核的可能性，减少锁存器数据的错误翻转。 7 、尽可能的避免非理想回路。 1 2 武汉理 t k 学硕十学位论文 2 3 电源完整性 随着p c b 设计复杂度的逐步提高，尤其当开关器件数量不断增加，核心电压 不断减小的时候，电源的波动往往会给系统带来致命的影响，于是电源完整性 ( p i ) 的研究分析也应运而生。虽然电源完整性主要是讨论电源供给的稳定性问 题，但由于在实际系统中总是和地密不可分，通常把如何减少地平面的噪声也 作为电源完整性中的一部分进行讨论。 2 3 1 电源噪声的起因及危害 造成电源不稳定的根源【8 】主要在于两个方面：一是器件高速开关状态下，瞬 态的交变电流过大；二是电流回路上存在的电感。从表现形式上来看又可以分 为三类：一是同步开关噪声( s i m u l t a n e o u ss w i t c hn o i s e ，简称s s n ) ，有时 被称为ai 噪声，地弹( g r o u n db o u n c e ) 现象也可归于此类；二是非理想电源 阻抗影响；三是谐振及边缘效应。 对于一个理想的电源来说，其阻抗为零，在平面任何一点的电位都是保持恒 定的( 等于系统供给电压) ，然而实际的情况并不如此，而是存在很大的噪声干 扰，甚至有可能影响系统的正常工作。 电源平面其实可以看成是由很多电感和电容构成的网络，也可看成是一个共 振腔，在一定频率下，这些电容和电感会发生谐振现象，影响电源层的阻抗。 比如一个8 英寸9 英寸的p c b 空板，如图2 9 所示，随着频率的增加，电源阻抗 是不断变化的，尤其是在并联谐振效应显著的时候，电源阻抗也随之明显增加。 图2 9 电源平面的谐振现象 武汉理i ：大学硕十学位论文 除了谐振效应，电源平面和地平面的边缘效应同样是电源设计中需要注意的 问题，这里说的边缘效应就是指边缘反射和辐射现象，也可以列入e m i 讨论的范 畴。如果抑制了电源平面上的高频噪声，就月。 - 匕k ，4 1 | 好的减轻边缘的电磁辐射，通 常是采用添加去耦电容的方法。边缘效应是无法完全避免的，在设计p c b 时，要 尽量让信号走线远离铺铜区边缘，以避免受到太大的干扰。 2 3 2 电源阻抗设计 电源噪声的产生在很大程度上归结于非理想的电源分配系统。所谓电源分配 系统【9 】，其作用就是给系统内的所有器件提供足够以及稳定的电源。大部分数字 电路器件对电源波动的要求在正常电压的+ 一5 范围之内。电源之所以波动， 就是因为实际的电源平面总是存在着阻抗，这样，在瞬间电流通过的时候，就 会产生一定的电压降和电压摆动。为了保证每个器件始终都能得到正常的电源 供应，就需要对电源的阻抗进行控制，也就是尽可能降低其阻抗。最大电源阻 抗为： 7( 正常工作电压) ( 允许波动范围) 厶a r s 甜2 葛天面矿一 ( 2 - 7 ) 从公式2 7 可以看出，随着电源电压不断减小，瞬间电流不断增大，所允许 的最大电源阻抗也大大降低。 在设计电源阻抗的时候，要注意频率的影响，不但需要计算直流阻抗( 电阻) ， 还要同时考虑在较高频率时的交流阻抗( 主要是电感) ，最高的频率将是时钟信 号频率的两信，因为在时钟的上升和下降沿，电源系统上都会产生瞬问电流的 变化。一般可以通过下面这个基本公式来计算受阻抗影响的电源电