基于Cadence的高速PCB設(shè)計(jì)

1 引言

　　隨著人們對(duì)通信需求的不斷提高，要求信號(hào)的傳輸和處理的速度越來(lái)越快.相應(yīng)的高速PCB的應(yīng)用也越來(lái)越廣，設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜.高速電路有兩個(gè)方面的含義：一是頻率高，通常認(rèn)為數(shù)字電路的頻率達(dá)到或是超過(guò)45MHz至50MHz，而且工作在這個(gè)頻率之上的電路已經(jīng)占到了整個(gè)系統(tǒng)的三分之一，就稱為高速電路.另外從信號(hào)的上升與下降時(shí)間考慮，當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間小于6倍信號(hào)傳輸延時(shí)時(shí)即認(rèn)為信號(hào)是高速信號(hào)，此時(shí)考慮的與信號(hào)的具體頻率無(wú)關(guān).

　　2 高速PCB設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

　　高速電路設(shè)計(jì)在現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)中所占的比例越來(lái)越大，設(shè)計(jì)難度也越來(lái)越高，它的解決不僅需要高速器件，更需要設(shè)計(jì)者的智慧和仔細(xì)的工作，必須認(rèn)真研究分析具體情況，解決存在的高速電路問(wèn)題.一般說(shuō)來(lái)主要包括三方面的設(shè)計(jì)：信號(hào)完整性設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、電源完整性設(shè)計(jì).

　　2.1 信號(hào)完整性(signal integrity)設(shè)計(jì)

　　信號(hào)完整性是指信號(hào)在信號(hào)線上的質(zhì)量.信號(hào)具有良好的信號(hào)完整性是指當(dāng)在需要的時(shí)候，具有所必需達(dá)到的電壓電平數(shù)值.差的信號(hào)完整性不是由某一因素導(dǎo)致的，而是由板級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同引起的.特別是在高速電路中，所使用的芯片的切換速度過(guò)快、端接元件布設(shè)不合理、電路的互聯(lián)不合理等都會(huì)引起信號(hào)的完整性問(wèn)題.具體主要包括串?dāng)_、反射、過(guò)沖與下沖、振蕩、信號(hào)延遲等.

　　2.1.1 串?dāng)_(crosstalk)

　　串?dāng)_是相鄰兩條信號(hào)線之間的不必要的耦合，信號(hào)線之間的互感和互容引起線上的噪聲.因此也就把它分為感性串?dāng)_和容性串?dāng)_，分別引發(fā)耦合電流和耦合電壓.當(dāng)信號(hào)的邊緣速率低于1ns時(shí)，串?dāng)_問(wèn)題就應(yīng)該考慮.如果信號(hào)線上有交變的信號(hào)電流通過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，處于磁場(chǎng)中的相鄰的信號(hào)線會(huì)感應(yīng)出信號(hào)電壓.一般PCB板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性及信號(hào)線的端接方式對(duì)串?dāng)_都有一定的影響.在Cadence的信號(hào)仿真工具中可以同時(shí)對(duì)6條耦合信號(hào)線進(jìn)行串?dāng)_后仿真，可以設(shè)置的掃描參數(shù)有：PCB的介電常數(shù)，介質(zhì)的厚度，沉銅厚度，信號(hào)線長(zhǎng)度和寬度，信號(hào)線的間距.仿真時(shí)還必須指定一個(gè)受侵害的信號(hào)線，也就是考察另外的信號(hào)線對(duì)本條線路的干擾情況，激勵(lì)設(shè)置為常高或是常低，這樣就可以測(cè)到其他信號(hào)線對(duì)本條信號(hào)線的感應(yīng)電壓的總和，從而可以得到滿足要求的最小間距和最大并行長(zhǎng)度.

　　2.1.2 反射(reflection)

　　反射和我們所知道的光經(jīng)過(guò)不連續(xù)的介質(zhì)時(shí)都會(huì)有部分能量反射回來(lái)一樣，就是信號(hào)在傳輸線上的回波.此時(shí)信號(hào)功率沒(méi)有全部傳輸?shù)截?fù)載處，有一部分被反射回來(lái)了.在高速的PCB中導(dǎo)線必須等效為傳輸線，按照傳輸線理論，如果源端與負(fù)載端具有相同的阻抗，反射就不會(huì)發(fā)生了.二者阻抗不匹配會(huì)引起反射，負(fù)載會(huì)將一部分電壓反射回源端.根據(jù)負(fù)載阻抗和源阻抗的關(guān)系大小不同，反射電壓可能為正，也可能為負(fù).如果反射信號(hào)很強(qiáng)，疊加在原信號(hào)上，很可能改變邏輯狀態(tài)，導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤.如果在時(shí)鐘信號(hào)上可能引起時(shí)鐘沿不單調(diào)，進(jìn)而引起誤觸發(fā).一般布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過(guò)連接器的傳輸及電源平面的不連續(xù)等因素均會(huì)導(dǎo)致此類反射. 另外常有一個(gè)輸出多個(gè)接收，這時(shí)不同的布線策略產(chǎn)生的反射對(duì)每個(gè)接收端的影響也不相同，所以布線策略也是影響反射的一個(gè)不可忽視的因素.

　　2.1.3 過(guò)沖(overshoot)和下沖(undershoot)

　　過(guò)沖是由于電路切換速度過(guò)快以及上面提到的反射所引起的信號(hào)跳變，也就是信號(hào)第一個(gè)峰值超過(guò)了峰值或谷值的設(shè)定電壓.下沖是指下一個(gè)谷值或峰值.過(guò)分的過(guò)沖能夠引起保護(hù)二極管工作， 導(dǎo)致過(guò)早地失效，嚴(yán)重的還會(huì)損壞器件.過(guò)分的下沖能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤.它們可以通過(guò)增加適當(dāng)端接予以減少或消除.

　　2.1.4 振蕩(ringing)和環(huán)繞振蕩(rounding)

　　振蕩的現(xiàn)象是反復(fù)出現(xiàn)過(guò)沖和下沖.信號(hào)的振蕩和環(huán)繞振蕩由線上過(guò)度的電感和電容引起的接收端與傳輸線和源端的阻抗不匹配而產(chǎn)生的，通常發(fā)生在邏輯電平門(mén)限附近，多次跨越邏輯電平門(mén)限會(huì)導(dǎo)致邏輯功能紊亂.振蕩和環(huán)繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的，振蕩可以通過(guò)適當(dāng)?shù)亩私踊蚴歉淖働CB參數(shù)予以減小，但是不可能完全消除.

　　在Cadence的信號(hào)仿真軟件中，將以上的信號(hào)完整性問(wèn)題都放在反射參數(shù)中去度量.在接收和驅(qū)動(dòng)器件的IBIS模型庫(kù)中，我們只需要設(shè)置不同的傳輸線阻抗參數(shù)、電阻值、信號(hào)傳輸速率以及選擇微帶線還是帶狀線，就可以通過(guò)仿真工具直接計(jì)算出信號(hào)的波形以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)，這樣就可以找出匹配的傳輸線阻抗值、電阻值、信號(hào)傳輸速率，在對(duì)應(yīng)的PCB軟件Allegro中，就可以根據(jù)相對(duì)應(yīng)的傳輸線阻抗值和信號(hào)傳輸速率得到各層中相對(duì)應(yīng)信號(hào)線的寬度(需提前設(shè)好疊層的順序和各參數(shù)).選擇電阻匹配的方式也有多種，包括源端端接和并行端接等，根據(jù)不同的電路選擇不同的方式.在布線策略上也可以選擇不同的方式：菊花型、星型、自定義型，每種方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)不同的電路仿真結(jié)果來(lái)確定具體的選擇方式.