（电磁场与微波技术专业论文）lvds信号完整性分析及高速背板设计.pdf

l v d s 信号完整性分析及高速背板设计 l v d s 信号完整性分析及高速背板设计 研究生：胡劲松 导师：朱晓维教授 洪伟教授 摘要 随着当代集成技术与互连技术的高速发展，芯片内部、芯片之间和电路板间相互通信的 时钟频率都得以人幅度的提高。l m 与此同时，在这些高速电路中也产生了严重的传输线效应 以及其他一些电磁场问题。为了建立一个高效可靠的高速数据系统，确保数据的正确传输， 对信号完整性的研究逐渐成为当代互连设计技术中的一个热点问题，近来倍受关注。 本课题主要研究了l v d s 高速背板的特性，并分析了其信号完整性问题。在本文中首先 概述了信号完整性的研究背景，接着介绍了高速电路设训冲的儿种典型的信号完整性问题， 然后介绍了l v d s 高速背板的殴计，井给出了仿真和实测的波形，最后介绍了演示系统的测 试方案，给出了眼图和误码率测试的详细的稃序框图。 本文的研究重点为l v d s 高速背板的仿真与设计，板内和板问互连的眼图雨i 误码率的测 试程序。仿真采州了业界使用最为普遍的c a d e n c e 的s p e c c t r a q u e s t 工具，在实验背 板上设计了1 0 多种不同类型的传输线进行研究，测试程序采用v e r i l o g 语言进行编写。最 后将这些程序下载到l v d s 演示系统中进行了调试，测试结果达到了预期的i 殳计指标。 关键词：l v d s ，背板，信号完整性，互连，眼图，误码率 东南大学硕= l 学位论文 l v d s 信号完整性分析及高速背板砹计 l v d sh i g h - s p e e db a c k p l a n ea n d s i g n a li n t e g r i t y ( s i ) a n a l y s i s m s e ec a n d i d a t e ：h uj i n s o n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h ux i a o w e p r o f h o n gw e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc u r r e n ti n t e g r a t i o na n di n t e r c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y ，t h e o p e r a t i n gc l o c kf r e q u e n c yo fc h i pi n s i d e ，c h i p t o c h i p b o a r d t o b o a r d h a v ea l lb e e n i n c r e a s e dg r e a t l ym e a n w h i l et h es e r i o u st r a n s m i s s i o nl i n ee f f e c t sa n ds o m eo t h e re m p r o b l e m sr e s u l t e df r o mt h eh i g h - s p e e dc i r c u i t sh a v ef r u s t r a t e dm a n yd e s i g n e r s t o e s t a b l i s har e l i a b l eh i g h - e f f i c i e n ta n dh i g h - s p e e ds y s t e ma n de n s u r et h ec o r r e c td a t a t r a n s m i s s i o n ，s ir e s e a r c hh a sg r a d u a l l yb e c o m eah o ti s s u ei nt h ei n t e r c o n n e c t i o nd e s i g n a n dr e c e i v e dm o r ea t t e n t i o n sn o w a d a y s t h i sp r o j e c tm a i n l ys t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl v d sh i g h s p e e db a c k p l a n e ，a n d a n a l y z e si t ss i g n a li n t e g r i t yp r o b l e m s i nt h i sp a p e r ，w ef i r s t l ys u m m a r i z et h eb a c k g r o u n d o f s ir e s e a r c h t h e ni n t r o d u c e ss e v e r a lt y p i c a s ip r o b l e m si nt h eh i g h s p e e d i n t e r c o n n e c t i o nd e s i g n ，a f t e rt h a ti n t r o d u c e sl v d sh i g h s p e e db a c k p l a n ed e s i g na n d s h o w st h es i m u l a t e da n dm e a s u r e dw a v e f o r m so ft h es t u d i e dc h a n n e l s ，l a s t l yp r e s e n t s t h em e a s u r e m e n ts c h e m e so ft h i sd e m os y s t e ma n da l s og i v e st h ed e t a i l e dp r o g r a m f r a m e so ft h ee y ep a t t e r na n db e rm e a s u r e m e n tp r o g r a m s t h ef o c u s e so ft h i st h e s i sa r el v d sh i g h - s p e e db a c k p l a n es i m u l a t i o na n dd e s i g n ， a n de y ep a t t e r na n db e rm e a s u r e m e n tp r o g r a mf o rc h i p - - t o c h i pa n dc a r d - t o - - c a r d i n t e r c o n n e c t i o nw ee m p l o yt h em o s tp o p u l a rs p e c c t r a q u e s tt o o l so fc a d e n c et o m a k eo urs i m u l a t i o n s ，d e s i g nm o r et h a nt e np a i r so fd i f f e r e n tl v d st r a n s m i s s i o nl i n e sf o r s t u d y i n g ，w r i t et h em e a s u r e m e n tp r o g r a mw i t ht h ev e d l o gp r o g r a m m i n gl a n g u a g ei nt h e e n d ，w eh a v ed o w n l o a d e dt h e s ep r o g r a m st ot h ef p g ao ft h el v d sd e m os y s t e m ，a n d t h em e a s u r e dr e s u l t ss a t i s f yt h ee x p e c t e dd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s k e yw o r d s ：l v d s ，b a c k p l a n e ，s i g n a li n t e gr i t y , i n t e r c o n n e c t e y ep a t t e r n ，b e r 东南大学硕士学位论文 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：翊邈盆日期：塞! ! 垒：至： ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 沦文的复e | _ j 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容f u t l l 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：趟丝趑导师签名：日期：鱼竺生：主：堕 l v d s 信号完整性分析及高速背板醴计 1 1 背景介绍 1 1 1 引言1 】【2 】 第一章绪论 随着当代集成技术、封装技术和制作j ：艺的快迷发展，以及高性能的数据通信系统、电 信系统和无线系统的广泛应用，人们对数据的传输速率和处理能力都提出了更高的要求。当 1 9 7 8 年i n t e l 公司推出第一款8 0 8 6 微处理器时，这块1 6 位芯片仅包含2 9 ，0 0 0 个晶体管， 运行速度仅为5 m h z ，而如今的i n t e l 奔腾4 处理器却包括了5 ，5 0 0 万个晶体管，运行速度 提高了6 0 0 倍以上，高达30 6 g h z 。不管是高速的c p u ，还是人们自己在实验室开发的单 板专用电路，为了获得更高的处理能力就必然要提高板上的数字工作时钟。当前许多电路板 i 的时钟都达到r 数卣m h z ，甚至在实验室里已出现了1 0 g h z 的电路单板。 与此相对应的是，这些高速集成电路的信号切换日, 3 f h j 己减4 , n 几百p s ，如此高的边沿 速率将会导致芯片内和p c b 上产生大量的电磁场问题，特别是一些传输线的效应是低速电 路中所没有的。其后果是使信号产生失真，严重影响信号的正确传输。若在电路板设计时不 考虑其影响，则逻辑功能正确的电路在调试时往往无法正常： 作。为此在高速电路的设计中 就必须对电路的布局布线和互连结构进行正确的建模和仿真，这样可以大大的提高设计的成 功率，避免日后再去查找其信号完整性的问题。在此应用背景之下，信号完整性，作为一门 新兴的研究课题，就吸引起了人们越来越多的关注。 如果将多媒体通讯称之为信息高速公路的话，那么高速互连技术则可阻称作信号高速公 路。如何构建这条信号| ；| 勺高速公路就是目前信号完整性研究的核心问题。随着时钟进入g h z 之后，互连技术将碰剑越来越多的难题和挑战。互连技术主要可分为以下6 级： 鬻戮麟懑燮懿麟戮瓣麟黼蒸滗麟麓缓缫蘸黝麟黼黼鳓麟戳麟 0 级互连半导体囊连，即芯片内的互连 1 级百连封装 2 级互连单板 3 绒互连背板 4 级互连框问与柜间互连 5 级互连机房间阻及更广义的互连 东南大学硕十学位论文 l v d s 信号完整性分析及高速背板设计 1 1 2 信号完整性的定义与研究对象d i d 信号完整性( s i ) 是指信号未受到损伤的一种状态，它表示信号质量在信号传输后仍保 持正确的一种特性。s l 是研究数字设计和模拟设计的一门中间学科，它除了研究有关振铃、 串扰、接地反弹和电源噪声等方面的问题外，它还研究如何建立一个真实有效的高速数字系 统的设计问题。s l 研究的目标是确保n j 靠的数据传输。 1 1 3 信号完整性的研究方法1 1 1 2 5 s i 的建模仿真( 互连技术的精髓) ( 1 ) s p i c e 模型与i b i s 模型 以前电路仿真模型普遍采用s p i c e 模型，它是晶体管一级的模型，缺点是晶体管的参 数数量太多，仿真速度慢，而且它还涉及器件的细忖；而目前的i b i s 模型是器件一级的模 型，它通过一族l b 流电压( i ，v ) 和电压日 问( v - r ) 曲线来描述各个器件管腿的输入输出 ( i o ) 特性，仿真速度快，非常适合系统级的仿真，而且它不涉及器件的细节，因而深受 l c 制造商的欢迎。 ( 2 ) s i 工具常用到的数值方法 蠢瓣鬻鬻黧麟 1 边界元法( b e m )积分方程法；未知数受导体的限制；需要构造g r e e n 矩量法( m o m )函数，不适合非均匀的介质材料：需要求解紧凑矩阵 2 时域有限差分法( f d t d ) 微分方程法：任意非均匀结构的通削方法im a x w e l l 方秽的直接时域解；需要将整个汁算域进行离散，并 使用吸收边界条州：进行截断处理 3 有限元法( f e m )l a p l a c e h e l m h o l t z 方程法；任意非均匀结构的通用 方法；需要求解稀疏矩阵 4 部分元等效电路法( p e e c )准静态的积分方干呈法；未知数受导体的限制；m o m 法的简化和近似形式 ( 3 ) 常见的s i 工具 一个好的s i - r 具应该包括以下主要内容：2 d 场分析i 典，h ；| 于提取单端，耦合传输线 东南人学硕上学位论文 2 l v d s 信号完整性分析及高速背板世汁 的r l g c 矩阵；争端耦合的有耗传输线仿真器；连线、过孔和金属面的3 d 场分析： 具； 发射器件和接收器件的建模仿真。他们应该可以输入物理嘶】局文件，得到时域( 定时和波形 测量) 和频域( 阻抗参数和s 参数) 的后处理结果。 目前市场上一些主要的s 旧：具有 麟渊隧糕剿麟慧黼黼斓黼豢黼戳 h f s s 高频儿何结构的s 参数和辐射仿真 a n s o f tp c b m c m s i g n a lp c b m c m 预布线与布线后的s 1 分析 i n t e g r i t y sj2 d 2 d 静态直流的电磁场仿真，提取电感和电 容 s i3 d 3 d 静态直流的电磁场仿真，提取电阻、电 感雨i 电容 t u r b o p a c k a g e 封装的r l g c 提取 a n a l y z e r a g i l e n f a d s t d r 的时域反射仿真 a p p l i e ds i m u l a t i o n a p s i m s i有耗耦合传输线的反射和串扰仿真 t e c h n o l o g y a p s i m d e l l - a - i d e l t a i 的噪声仿真 c a d e n c es p e c c t r a q u e s t s l 仿真：传输线的仿真，电源面生成器 h pe e s o f p i c o s e c o n d 耦合线与i ，0 缓冲器的频域年时域仿真 i n t e r c o n n e c t m o d e l i n g s u i t e h y p e r l y n x ( p a d s )h y p e r s u i t e 单端，耦合的传输线仿真 i n c a s e s ( z u k e n ) s l w o r k b e n c h 有耗的耦合传输线仿真 m e n t o rg r a p h i c s i s - a n a l y z e r延迟、串扰仿真 q u a n t i ce m c b o ar d s p e c i a l i s tp l u s 延迟、串扰仿真 s i g r i t y s p e e d 9 7 ，s p e e d 2 0 0 0耦合有耗传输线的电源与地的仿真 s y n o p s i s h s p i c e s p i c e 模裂的仿真 v i e w l o g i cs y s t e m s x t k 耦合有耗传输线的分析 ( i n n o v e d a ) a c ，g r a d e 电源，地的建模 东南人学硕：b 学位论殳 l v d s 信号完整性分析及高速背板世汁 s i 的分析流程 结构原理圈 ( 选择i o 缓冲，封装 互连线和接捅件) ( 噪声预算，定时预算评 估) 元件分枷 约束条件下的布板 验汪：样机与实验窒测试 满足s i 的条件吗? 足 1 1 3 高速背板的应用、结构与协议介绍嘲 7 】 s 1 分析 比较研究 s 1 分析 找出解决方案的极值 s 1 分析 预布板分析 s 1 分析 反刺、串扰和s s n 的仿真 s r 分析 布板后的仿真 应刷 作为连接子扳的桥梁，背板得到越来越广泛的应川，无论是个基带处理板还是一个射 频板。当前的发腱趋势是并行向串行转换，多g b p s 的互连以及各种标准的共存。高性能的 背板要求是高速度( 高带宽) ，高可靠性，低成本。 结构 连接可分为并行和串行，结构可分为点对点、多支路平多点式，定时可分为同步、源同 步、异步。我们的高速背板采用的是串行点对点的l v d s 技术，定时方式为源同步。l v d s ( 低摆幅差分信号) 技术的优点在于抑制共模噪声、低摆幅、低功耗和低成本。因为串行技 术可以进行k = 距离的传输，付省p c b 的窄问，1 ，省成本，渊同步技术关键是要减小两个k v d s 线对之间的相位差。 东南火学硕= 卜学位论文 4 l v d s 信号完整性分析及高速背板设计 背板协议 r a p i d l o 是1 种适用于未来高速系统内部互联的技术。r a p i d l o 是一种基于包交换的开 放式分层结构，它具有标准的j o 接口、等待时间短、包发送可靠、软件透明等特点。它与 传统的互联结构的区别在于它是通过r a p i d l o 交换机实现子系统之内和各子系统之间的互 联。r a p i d l o 的规范有逻辑规范、传输规范和物理规范。它的物理层可采用8 1 6 l p l v d s 方式，菲常适合短距离的高性能背板，并且具有很高的带宽。 1 2 本课题的任务和内容 本课题的主要任务是建立一个s l 的实验研究平台。本人承担的具体工作主要有系统级 的s i 仿真、f p g a 的设计和编程( 眼图和误码率的测试程序) 、部分l v d s 高速背板的设计、 眼图和误码率的实际测量。 1 3 论文各章节的安排 本文针对高速数字电路的发计，以l v d s 高速背板的设汁为平台，研究了高速电路设计 , f l il v d s 系统中的信目完整性问题，给出了每种布线的系统仿真结果和实验洲试结果，并对 结果进行了简单的分析，系统的软件部分是我的：1 二作币点，因此也专门作了介绍。论文的安 排如下： 第一章概述了本课题的研究背景，介绍了信号完整性的定义、研究对象和研究方法， 以及高速背板的应用、结构和防议。 第二章介绑了高速电路设计中几种典型的信弓完整性问题，如电源、接地、传输线、 串扰平终端等，分析r 他们的特点羊j i 陆能。 第三章介2 h 了l v d s 系统的殴计规则，并刊绕l v d s 高速背板的设计，分别用a d s 和c a d e n c e 剥各种线型作了时域反射和眼图的仿真，蒯时给出了实测的眼图雨i 对结果的分 析。 第四章介绍了系统的测试方案，包括测试仪器的介绍、眼图雨i 误码率的测试程序介绍。 东南大学颅= l 学位论文 l v d s 信号完整性分析及高速背板设计 第二章高速电路板设计技术 及其信号完整性分析 2 1 高速电路设计中的信号完整性综述【7 】 阁2 1 典型的背板与子板结构中的信号干扰情况 高速r u 路中的信号完整性问题丰要包括噪声、串扰( c r o s s t a l k ) 、电源分配、电磁干扰 ( e m i ) 与电磁兼容( e m c ) 等。 噪声丰要来自于振铃( 上冲和f 冲) 、阻抗火配、反射和终端负载。振铃是在高频信号 时钟的上升沿和下降沿，在信号建立的过程中产生的。阻抗失配的主要是因为大多数高速设 备都存在高阻驱动利低阻接收的方式，多层p c b 扳阻抗的不可控以及带有多个插槽或子板 的p c i 总线的存在。反射包括正发射和负发劓，当信号的波前遇到高阻时，将发生正发射 并带来上冲：反之，当信号遇到低阻时，将发生负反射并带来下冲。终端负载技术包括在发 射端的串联接法，以及在接收端的并联接法( 上拉、下拉、t h e v e n i n 、a c 和二极管) 。此 外还有一种同步切换噪声( s s n ) ，它是由电流返同路径，地跳垌i 去耦等因素造成的。当两 条走线靠在起时，其中一条走线中电流的变化将会引起相邻走线中的电流流动，这种现象 就叫交扰，交扰一般发生在高频信号的上升沿和f 降卅。山丁电容和寄生电感的影响，在电 源平面会存在许多复杂的喈振。而地面和电源面上的谐振都会引起大量的共模e m i 。 2 2 电源 9 】【1 o 】 高速系统电源殴计的目标就是为板上的高速设各提供一个噪声尽可能小的纯净的电源。 东南大学坝十学位论文 6 l v d s 信号完整性分析及高速背板哎汁 2 2 1 电压损失和噪声问题 图2 2 电源总线和电源面的示意图 在常见的低频电路中，经常采用电源总线为所有板上的器件供电。但由于总线不可能是 完全无耗的，这样总线【：的电压损失将会使总线上的某些设备得不到它的理想： 作电压。同 时每个高速设备产生的噪声也会被其他没备中。 在高频电路中，我们就可以为不同的电压级别分配不同的电源面米解决这些问题。首先， 电源面的总阻抗较小，冈而电压损失也小；其次，由于面上的电流是分散在整个电源平面上， 因而一个设备中的噪声不会带给其他的设备。 为了滤除线路中的噪声和a c 成分，还要用到旁路电容。对于系统电源的滤波，需要采 用1 0 u f 左右的钽电解电容( 额定电压至少应为系统电源电压的5 倍) ，它的作川t 是滤除电路 板上的低频分量；而剥于每个芯片的滤波，则需要采用0 1u f 左右的陶瓷电容，它的作用是 滤除电路板上的高频分量。对于小容量的旁路电容常采用0 6 0 3 的封装，以减小电容的寄生 电感。有时为了i _ j 时滤除电路中的低频分量雨i 高频分量，我们可以将一个大电容和小电容相 并联，以进一步提高噪声的过滤范围。建议将常见的表面贴旁路电容置于芯片的正下方。 2 2 2 电源面作为信号回路 图2 3 优化后的信号回路示意图 高频信号在跳变日寸会产生a c 电流，此电流通过v c c 或地构成个呈感性的哑1 路，其 东南大学硕= | _ 学位论文 7 l v d s 信号完整性分析及t 岛速背板醴| 十 效应相当于一个电感线圈，从而带来信号的串扰和振铃现象。而回路线圈的尺寸越小，其电 感效应也越小。为此在高速电路的没计中，要将信号线尽量靠近电源平面或地平面。 大多数l v d s 电流都是奇模的，并在互连线对内部返回。而- - 4 , 部分的电流由于耦台噪 声和驱动的不平衡性，可能是偶模的，此时应使该电流通过+ 个阻抗尽量低的路径返回。 2 2 3 电源面的设计要素 小心电源面上的断缝使回路尺寸增加： 分离模拟电源面和数字电源面，以消除数字噪声对高速模拟系统的影响； 在电源面上用腐蚀法隔开对噪声敏感的元伺； 对于双面板，将电源总线和地线顺着敏感的信号线和局，也能减少噪声的影响； 使用较薄的电源层和地层( 2 - 4 m i l s ) ，可以大大改善电源系统的性能。这样的设计 可以为电源系统提供平面电容而只带米很低的寄生电感，在7 0 0 m h z 以上的高频电路中特 别有效，同时也降低了对外接旁路电粹的要求。 建议在每个电源引脚雨ir f 旁路r b 容的终端使用两个过孔。双过孔最大可以将互连 电感减少一半，j 刊时还扩展_ r 噪声的过滤范围。 电源引脚附近的走线应该是导带比较宽的低阻抗走线，当其附近有多个电容时，应 将小电容尽量靠近引脚。 2 。3 接地嘲 高速系统电源设计的目标就是使高频噪声的_ t 扰最小化并提供一个电平波动尽量小的 信号电u i 参考地。 图2 - 4 一种高频p c b 中典型的多点接地结构 东南大学颁= i 学位论文 l v d s 信号完整性分析及高速背板设计 2 3 1 基本的接地概念 接地：用于描述作为系统中所有电压测量参考的电压源终端的个术语 安全地：通过一个低阻抗通路连接到大地的接地方式； 信号电压参考地：电气系统所有部分的公共参考点。 2 3 2 接地反弹( g r o u n db o u n c e ) 同步的开关输山对地参考面产生耦合，引起地电位的波动。 数字开关脉冲 、j 扩一 搂地层上的姚变 图2 5 典型的接地反弹波形 引起接地反弹的原因有：容性负载增加；负载电阻减小；引线和走线的电感增加； 多个门( 器件) 同时切换； 消除接地反弹的技术有：降低输出转换时间；将接地引线分散到整个元件中；设计 p c b 板时，每个接地引线都应该单独的直接连接到地平面上；进行负载的控制，减小电容， 增加电阻；进行布线的控制，要最大程度地减小p c b4 r i 线时电源和接地的电感，而4 ；仅仅 是输出信号线的电感；使州接地参考线在器件中心( 4 n i l ) 的器件代替接地参考线在拐角处 ( 1 5 n i l ) 的器件。 2 3 4 接地系统的设计要素 通过对高频元件的仔细布局，减小电流环路的面干j 或使其极小化； 对p c b 或系统分区时，使高带宽的噪声电路与低频电路分开； 在殴训p c b 或系统时，使干扰电流不同过公共的接地同路影响其他电路 仔细选择接地点以使环路电流、接地阻抗及电路的转移阻抗最小； 把通过接地系统的电流考虑为注入或从电路中流出的噪声； 把非常敏感( 低噪声容限) 的电路连接到一稳定的接地参考源。j ：。 东南大学硕士学何沦文 q l v d s 信号完整性分析及高速背板i 5 计 2 4 传输纠8 】【9 】【1 1 】【1 2 】 传输线就是一个适合在两个或多个终端问有效传输电功率或电信号的传输系统。当发送 设备到接收发备之间的距离大丁 2 0 或传输时延小于环路反射所需要的时间时，p c b 走线 就可以看作传输线。 2 4 1 高速电路设计对传输线的要求 尽量减小发备问的传输延迟； 处理好传输线的反射和串扰 尽量减少信号损耗； 考虑进行高密度连接。 2 4 2 单传输线 h ：绝缘层厚度；t ：导带厚度；w ：导带宽度；e ，：基板的相对介电常数。( f r 4 ，e ， 4 3 4 5 ) ：zo ：阻抗；t ) ：传输延迟；co ：信号线电容；lo ：信号线自感系数。 单微带线 单带状线 l 割2 6 单微带线 ! !i 。! ：婴 ，+ 1 4 1 0 8 0 ) + t t p r ) = 1 0 1 7 严丽n s m _ s u b 蚓2 7 单带状线 ( 21 ) ( 22 ) 东南大学硕士学位论文 0 l v d s 信号完整性分析及高速背板吐计 2 4 3 差分传输线 差分微带线 l ，w _ 10 1 7 8r n s m _ _ s u b _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ( 2 3 ) ( 2 4 ) 图2 8 差分微带线 特点：两条信号线均有一半暴露丁= 空气中。 优点：由于无需过孔，所以适合低速高密度的布线。但是若在高速应用- j 进行短距离的 互连则必须适当加宽微带线以减小损耗。而带状线则需要通过过孔来实现互连，这就减小了 其带宽。 差分共而微带线 蚓2 9 差分共而微带线 特点：两条信号线两边各有一段3 倍于导带宽度的接地面。 优点：可以在分布紧密的元件之间获得很高的带宽，还可以在信号进入或离开封装于连 接器时获得良好的转接。 差分边缘耦合带状线 广i 图2 10 差分边缘耦合一特状线 特点：中心导带与两参考面的距离相等。 优点：这种特殊的横截而结构使高频电流可以均匀的分们在信号导带的上边神i 下边，同 时也使返回电流可以在上f 参考面上均匀的传播。此外由十电流被分布在一个较大的区域 上，这样导带上的损耗也降低了。 东南大学坝士学付睑义 1 l v d s 信号完整性分析及局速背板设| 十 中心宽边带耦台带状线 图2 1 1 中心宽边带耦合带状线 特点：两条差分导带垂直放置。 优点：即使在转弯的情况下，也能保证两条差分线的长度一致。 缺点：制版时难- j 二排列两条互补信号线，不能以平衡结构连接到信号上，因为p c b 的 内部连接是通过过孔来实现的。 差分弧形传输线( 俯视图) = ! 三三三兰 h2 1 2 差分弧形传输线 特点：两条差分导带以弧形从较窄的导带逐步过渡到较宽的导带。 优点：弧形连接减小了不连续性，而中部加宽的导带则减小了损耗，增大了噪声容限。 缺点：制版时难于实现弧形的连接，导带中部占据比较人的面积，不适于高密度的布线。 2 4 4 容性负载 容性负载会减小线路的特性阻抗，增大传输时延。 7 一一 z o 一_ 7 霜 vc 0 fn d 2 t ( 25 ) ( 26 ) 式中， ，州为无负载叫的传输延时，r 删为加入容性负载后的修正传输延时，c d 为每 单位跃的分布电窬，c o 为传输线的特性电容。c d 取决丁所有元器件的容性负载，包括过孔 和插座。一般p c b 走线| 1 | 勺c n 值为2 2 5 p f i n ，每个过孔和插座的电容为1 2 p f 。而分散 的容性负载通常来自内存插槽或子板插槽，这些设备的电容为4 1 2 p f 。 东南大学砸= 卜学位论文 2 雁 “ l v d s 信号完整性分析及高速背板设计 2 5 终端哪9 】 高速系统走线终端的目标是实现走线的阻抗匹配，减少衰减振荡和信号的反射。 2 5 1 反射 如果负载阻抗大于走线的特性阻抗，将产生正发射现象，其表现为负载端的电乐高丁电 压源的值。反之，如果负载阻抗小于走线的特性阻抗，将产生负发射现象，其表现为负载端 的电压低于电压源的值。对于开路或短路负戟来说，全都的信号都被反射了，没有衰减。 反射产生过冲和f 冲。所谓过纠，就是指高于电源限值的过压对元件或设备的影响。f 冲是指低丁最小传输幅值的电压对元件或设薪的影响。如果一个传输线路由于终端不匹配， 结果在到达一个静i 电甲前反复出现过冲和下冲，这种现象就叫做“振铃”。 ， f ， j ! 嘏l i ：ai j 1 ? fi f! h 1 jv f 一 一t j t 叶” ( a ) 阻抗匹配，无反射( b ) 阻抗不匹配，振铃 圈2 1 3 振铃现象的t d r 仿真效果图 2 5 2 终端匹配的方法 串联终端对点对点的走线路径是最佳的，它还可以减慢上升沿的时问，降低阻抗不 连续性的影响，但其不适合驱动分布负载； 并联终端对具有快速时钟脉冲的总线及点对点的网络是首选的，但其功率消耗火， 减小了噪声容限； 戴维宁终端适合于有较多分布负载的总线网络，但其功率消耗大，减小了噪卢容限； r c 网络终端可在分布负载及总线布线中使用，直流功率损耗低，但其不适合高频 时使用。 东南大学硕士学位i _ 色文 l v d s 信号完整性分析及高速背板设计 图2 1 4 带串联负载的时钟信号虽佳布线 2 5 3 不采用终端匹配的后果 可能会有1 0 0 的正信号反射，导致在源驱动器处信号幅值加倍，由于过压，这可 能引起元州破坏； 在源驱动器端信弓可能有7 0 8 0 变为负值，这将影响电路的功能和噪声容限； 离驱动器一定距离处的负载町能会被具有触发门限电平的衰减振荡信号触发； 负戟敏感元件应置于网络的末端以减小这些敏感元件之间的反射，并防i l 溃触发。 2 6 串扰( c r o s s t a l k ) 【8 】【1 2 】 2 6 1 串扰的定义与分类 串扰，是指走线、导线、走线_ 千| ：| 导线、电缆束、元件及任意其他易受电磁场干扰的电子 元件之闸的不希望有的电磁耦合。具体的说，当两个相邻信弓不是互补信号而是两个独立的 信号时，一条信号线上的部分信号就会耦合剑另一条信号线上，这种耦合机制就叫“串扰”。 串扰包括电感串扰和电容串扰两种。电容串扰是冈为走线位于另一条走线 ：方或参考层 的上方。电感串扰主要存在于物理位置十分接近的走线( 如互相平行的走线) 之间。 i 爿( 如) = 2 0 1 0 9 # 2 ( 2 7 ) 2 6 2 高速电路设计中的串扰问题 在高速电路中需要较低的交扰，以防强的发射信号耦台到弱的已衰减了的接收信号中。 还要注意的是，当信号经输出驱动器放火为人幅度的电丛时，要防止它耦合到低幅度的差分 东南大学硕士学位论文4 l v d s 信号完整性分析及高速背板设计 信号中。 2 6 3 避免串扰的设计技术 串扰随走线宽度的增加而增加，宽度越大则互容e ，越大。对平行走线来说，走线越长 则互感乞，越大，串扰越强。 最小化元件问的物理距离和平行走线的长度，以碱小电感耦合； 相邻层上的布线尽量垂直，降低信号到地的参考距离的间隔，或采用地线隔离的方 法以减小电容耦台； 元什要远离i o 互连接口及其它易受数据干扰及耦合影响的区域； 对阻抗受控走线或频谱能量丰富的走线提供j i ：确的终端； 降低走线阻抗和信号驱动电平； 把高噪声源( 时钟、l ，o 、高速互连等) 置丁不同的和线层。 2 7p c b 中的e m c 8 】 e m c ，电磁兼容，是指一个产品和其他产品共存于特定的电磁环境中，而不会引起其 他产品或损坏的能力。 差模信号，在信号通路和返回通路中形成彼此反向的电流，携带数据或有用的信息，产 生相反的场并在i 殳置适当的时候，使场相再抵消，以使干扰减到最小。 共模信号，在信号通路驯返回通路中形成同向的电流，不含有用信息，是辐射的主要源 泉。它是由于两条传输通路不平行，导致差模电流抵消不良而造成的。 p c b 内引起e m c 的原因主要有： 高频周期信号的存在导致瞬时电流的产生； 电流流过公共返回阻抗路径存元件上产生r f 压降： 接地回路或接地参考的不完善产生不平衡的差模电流，从而引起共模电流的产生； 观察到的电磁辐射一般是由共模电流造成的。 东南大学硕j 一学位论义 l v d s 信号完整性分析及高速背板设计 2 8p c b 中的e m i 8 】 e m i ，电磁t 扰，是指破坏性的电磁能从一个电子设备通过辐射或传导传到另一个电子 设备的过程。 出现电磁干扰时必须包含以f3 个要素： 嘞 j 雠i o 捌舛 蚓2 1 5e m i 的三要素 对p c b 来说，噪声源包括时钟产生电路、不正确的布线、不匹配的阻抗等，传播路径 包括自由空间或互连电感等，接收体包括p c b 上的各种元器件。 p c b 内引起e m i 的原因主要有： 时钟和周期信号走线的设定： p c b 的分层排列及信号布线层的没置： 对于带有高频r f 能量分布成分的选择； 共模和差模滤波； 接地环路； 旁路与去耦不足。 要抑制系统的e m c 和e m i ，常见的技术有：屏蔽、衬垫、接地、滤波、去耦、适当布 线、绝缘与分离、阻抗控制以及i o 的互连设计等。 2 9p c b 与天线圈【1 3 】 蘸荔一 震胡薷熏雾国 图2 1 6 一个典型的子板与背板的结构图 东南大学倾十学位论文 1 6 l v d s 信号完整性分析及高速背板致汁 ( c ) 子板与馈线的e m i 天线 图2 1 7 子板与背板结构中可能出现的3 种e m i 天线 日前p c b 板j ：的时钟速率越来越高，这就使其尺_ 与信号的波长可比，从而容易成为 一个有效的e m i 天线。为了防i l 大线效应的产生，必须避免走线的长度接近干扰源信号的 有效激励长度，建立良好的接地，并进行r f 的滤波。 东南大学硕士学位论文 l v d s 信号完整性分析及高速背板设汁 第三章l v d s 高速背板的设计 3 1l v d s 系统设计简介【1 5 】 3 1 1l v d s 技术简介 l v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 是一种低摆幅的差分信号技术，它使得信 号能在差分p c b 线对或平衡电缆上以几百m b p s 的速率传输，其低摆幅和低电流驱动输出 实现了低噪声和低功耗。l v d s 具有许多优点：终端适配容易( 通常用1 0 0 欧姆的电阻跨 接在差分信号线上) ；由于低摆幅，因而切换速度快，适合高速传送；功耗低( 约12 m w ) ， 而r s - - 4 2 2 约有9 0 m w 的功耗，是l v d s 的7 5 倍；具有f a i l s a f e 特性确保可靠性； 低成本；l v d s 可以使用c m o s - f ：艺进行没计，这样它就可以被集成到标准的数据模块 中。 d r i v e r 图3 1 简化的l v d s 收发模型 l v d s 驱动器由一个驱动差分线对的电流源组成，通常电流为35 m a ，l v d s 接收器具 有很高的输入阻抗，因此驱动器输出的电流大部分都流过1 0 0 q 的匹配电阻，并在接收器的 输入端产生大约3 5 0 m v 的电压，其稳态的峰峰值约为7 0 0 m v 。当驱动器的电流方向切换 时，流过终端电阻的电流方向也随2 改变，这就产生了一个有效的1 和0 的逻辑状态。 随着集成电路的发展和对更高数据速率的要求，低压供电成为急需。降低供电电压不仅 减少了高密度集成电路的功率消耗，而上 减少了：占片内部的散热，有助于提高集成度。l v d s 驱动和接收器不依赖于特定的供电电压，因此它很容易迁移到低压供电的系统中去，而性能 不变。作为比较，e c l ( 发射耦合逻辑，e m i t t e r c o u p l e dl o g i c ) 和p e c l ( 正e c l ，p o s i t i v e e c l ) 技术依赖于供电电压，e c l 要求负的供电电压，p e c l 参考止的供电电压总线上电压 值( v c c ) 而定。使用差分信号的原因是噪声以共模的方式夼一对著分线上耦合出现，并在 接收器中相减从而ij 消除噪声。 东南人学硕= 卜学位论文 l8 l v d s 信号完整性分析及高速背板设计 3 1 2l v d s 系统的设计步骤 系统设计必须优先考虑电源和地在系统中的分布，否则他们会成为噪声源，带来电 磁干扰( e m i ) 问题； 考虑传输线的结构以及布局。优化路径以提供最佳的信号质量，如将某些器件靠近 连接器而将其他器件远离连接器。优先安排传输线的布局，避免不必要的通孔和不平衡； 完成余下的数字部分设计； 经常复查整个布局。 3 1 3l v d s 子板的设计技巧 3 1 3 1p c b 板 至少使用4 层p c b 板( 从顶层到底层) ：l v d s 信号层、地层、电源层、t t l 信号层。使 t t l 信号和l v d s 信号相互隔离，否则丌l 司能会耦台到l v d s 线上，最好将丌l 和l v d s 信号放在由电源地层隔离的不同层上。使l v d s 驱动器和接收器尽可能地靠近连接器的 l v d s 端。使用分布式的多个电容米旁路l v d s 设备，表面贴电容靠近电源地层管脚放置。 i 乜源层和地层应使川粗线，不要使用5 0 n 布线规则。保持p c b 地线层返回路径宽而短。应 该使用利用地层返回铜线的电缆连接两个系统的地层。使用多过孔( 至少两个) 连接到电源层 ( 线) 和地层( 线) ，表面贴电容可以直接焊接到过孔焊盅以减少线头。 3 1 3 2 板上走线 微带线和带状线都有较好性能：微带线的优点是一般具有更高的差分阻抗、不需要额外 的过7 l ；而带状线在信号问提供了更好的屏蔽，但一般需要过孔进行层与层之间信号的互连。 3 1 3 3 差分线 使川与传输媒质的差分阻抗和终端电阻相匹配的受控阻抗线，并且使差分线对离开集成 芯片后立刻尽可能地相互靠近( 距离小于1 0 毫米) ，这样能减少反射并能确保耦合到的噪 声为共模噪声。使差分线对的1 支度相互匹配以减少信号扭曲，防止引起信号问的相位差而导 致电磁辐射。不要仅仅依赖自动布线功能，矶应仔细修改以实现差分阻抗匹配升实现差分线 的隔离。尽量减少过孔和其它会引起线路不连续性的因素。避免将导致阻值不连续性的9 0 。 走线，使用圆弧或4 5 。折线来代替。在著分线对内，两条线之间的距离应尽刈能短，以保持 东m 大学硕十学位论文 1 9 l v d s 信号完整性分析及，苗速背板吐汁 接收器的共模抑制能力。在印制板上，两条差分线之间的距离应尽可能保持一致，以避免差 分阻抗的不连续性。 3 1 3 4 终端 使用终端电阻实现对差分传输线的晟人匹配，阻值一般在9 0 1 3 0 q 之间，系统也需要 此终端电阻来产生正