高速電路傳輸線(xiàn)效應分析與處理

隨著(zhù)系統設計復雜性和集成度的大規模提高，電子系統設計師們正在從事100MHZ以上的電路設計，總線(xiàn)的工作頻率也已經(jīng)達到或者超過(guò)50MHZ，有一大部分甚至超過(guò)100MHZ。目前約80% 的設計的時(shí)鐘頻率超過(guò)50MHz，將近50% 以上的設計主頻超過(guò)120MHz，有20%甚至超過(guò)500M。
當系統工作在50MHz時(shí)，將產(chǎn)生傳輸線(xiàn)效應和信號的完整性問(wèn)題；而當系統時(shí)鐘達到120MHz時(shí)，除非使用高速電路設計知識，否則基于傳統方法設計的PCB將無(wú)法工作。因此，高速電路信號質(zhì)量仿真已經(jīng)成為電子系統設計師必須采取的設計手段。只有通過(guò)高速電路仿真和先進(jìn)的物理設計軟件，才能實(shí)現設計過(guò)程的可控性。

傳輸線(xiàn)效應

基于上述定義的傳輸線(xiàn)模型，歸納起來(lái)，傳輸線(xiàn)會(huì )對整個(gè)電路設計帶來(lái)以下效應。
• 反射信號Reflected signals
• 延時(shí)和時(shí)序錯誤Delay Timing errors
• 過(guò)沖(上沖/下沖)Overshoot/Undershoot
• 串擾Induced Noise (or crosstalk)
• 電磁輻射EMI radiation

1 反射信號

在高速電路中,信號的傳輸如上圖所示,如果一根走線(xiàn)沒(méi)有被正確終結(終端匹配)，那么來(lái)自于驅動(dòng)端的信號脈沖在接收端被反射，從而引發(fā)不可預期效應，使信號輪廓失真。當失真變形非常顯著(zhù)時(shí)可導致多種錯誤，引起設計失敗。同時(shí)，失真變形的信號對噪聲的敏感性增加了，也會(huì )引起設計失敗。如果上述情況沒(méi)有被足夠考慮，EMI將顯著(zhù)增加，這就不單單影響自身設計結果，還會(huì )造成整個(gè)系統的失敗。
反射信號產(chǎn)生的主要原因：過(guò)長(cháng)的走線(xiàn)；未被匹配終結的傳輸線(xiàn)，過(guò)量電容或電感以及阻抗失配。

2 延時(shí)和時(shí)序錯誤

信號延時(shí)和時(shí)序錯誤表現為：信號在邏輯電平的高與低門(mén)限之間變化時(shí)保持一段時(shí)間信號不跳變。過(guò)多的信號延時(shí)可能導致時(shí)序錯誤和器件功能的混亂。
通常在有多個(gè)接收端時(shí)會(huì )出現問(wèn)題。電路設計師必須確定最壞情況下的時(shí)間延時(shí)以確保設計的正確性。信號延時(shí)產(chǎn)生的原因：驅動(dòng)過(guò)載，走線(xiàn)過(guò)長(cháng)。

3 過(guò)沖

過(guò)沖來(lái)源于走線(xiàn)過(guò)長(cháng)或者信號變化太快兩方面的原因。雖然大多數元件接收端有輸入保護二極管保護，但有時(shí)這些過(guò)沖電平會(huì )遠遠超過(guò)元件電源電壓范圍，損壞元器件。
4 串擾

串擾表現為在一根信號線(xiàn)上有信號通過(guò)時(shí)，在PCB板上與之相鄰的信號線(xiàn)上就會(huì )感應出相關(guān)的信號，我們稱(chēng)之為串擾。
信號線(xiàn)距離地線(xiàn)越近，線(xiàn)間距越大，產(chǎn)生的串擾信號越小。異步信號和時(shí)鐘信號更容易產(chǎn)生串擾。因此解串擾的方法是移開(kāi)發(fā)生串擾的信號或屏蔽被嚴重干擾的信號。

5 電磁輻射

EMI(Electro-Magnetic Interference)即電磁干擾，產(chǎn)生的問(wèn)題包含過(guò)量的電磁輻射及對電磁輻射的敏感性?xún)煞矫?。EMI表現為當數字系統加電運行時(shí)，會(huì )對周?chē)h(huán)境輻射電磁波，從而干擾周?chē)h(huán)境中電子設備的正常工作。它產(chǎn)生的主要原因是電路工作頻率太高以及布局布線(xiàn)不合理。目前已有進(jìn)行 EMI仿真的軟件工具，但EMI仿真器都很昂貴，仿真參數和邊界條件設置又很困難，這將直接影響仿真結果的準確性和實(shí)用性。最通常的做法是將控制EMI的各項設計規則應用在設計的每一環(huán)節，實(shí)現在設計各環(huán)節上的規則驅動(dòng)和控制。

避免傳輸線(xiàn)效應的方法

針對上述傳輸線(xiàn)問(wèn)題所引入的影響，我們從以下幾方面談?wù)効刂七@些影響的方法。

1 嚴格控制關(guān)鍵網(wǎng)線(xiàn)的走線(xiàn)長(cháng)度

如果設計中有高速跳變的邊沿，就必須考慮到在PCB板上存在傳輸線(xiàn)效應的問(wèn)題?，F在普遍使用的很高時(shí)鐘頻率的快速集成電路芯片更是存在這樣的問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)題有一些基本原則：如果采用CMOS或TTL電路進(jìn)行設計，工作頻率小于10MHz，布線(xiàn)長(cháng)度應不大于7英寸。工作頻率在50MHz布線(xiàn)長(cháng)度應不大于1.5英寸。如果工作頻率達到或超過(guò)75MHz布線(xiàn)長(cháng)度應在1英寸。對于GaAs芯片最大的布線(xiàn)長(cháng)度應為0.3英寸。如果超過(guò)這個(gè)標準，就要通過(guò)軟件仿真來(lái)定位走線(xiàn).走線(xiàn)的精確長(cháng)度需物理軟件(如:PADS等)控制.

2 合理規劃走線(xiàn)的拓撲結構

解決傳輸線(xiàn)效應的另一個(gè)方法是選擇正確的布線(xiàn)路徑和終端拓撲結構。當使用高速邏輯器件時(shí)，除非走線(xiàn)分支長(cháng)度保持很短，否則邊沿快速變化的信號將被信號主干走線(xiàn)上的分支走線(xiàn)所扭曲。通常情形下，PCB走線(xiàn)采用兩種基本拓撲結構，即菊花鏈(Daisy Chain)布線(xiàn)和星形(Star)分布。
對于菊花鏈布線(xiàn)，布線(xiàn)從驅動(dòng)端開(kāi)始，依次到達各接收端。如果使用串聯(lián)電阻來(lái)改變信號特性，串聯(lián)電阻的位置應該緊靠驅動(dòng)端。在控制走線(xiàn)的高次諧波干擾方面，菊花鏈走線(xiàn)效果最好。但這種走線(xiàn)方式布通率最低，不容易100%布通。實(shí)際設計中，我們是使菊花鏈布線(xiàn)中分支長(cháng)度盡可能短，安全的長(cháng)度值應該是：Stub Delay = Trt *0.1
星形拓撲結構可以有效的避免時(shí)鐘信號的不同步問(wèn)題，但在密度很高的PCB板上手工完成布線(xiàn)十分困難。采用自動(dòng)布線(xiàn)器是完成星型布線(xiàn)的最好的方法。每條分支上都需要終端電阻。終端電阻的阻值應和連線(xiàn)的特征阻抗相匹配。這可通過(guò)軟件仿真計算，得到特征阻抗值和終端匹配電阻值。

3 抑止電磁干擾的方法

很好地解決信號完整性問(wèn)題將改善PCB板的電磁兼容性(EMC)。其中非常重要的是保證PCB板有很好的接地。對復雜的設計采用一個(gè)信號層配一個(gè)地線(xiàn)層是十分有效的方法。此外，使電路板的最外層信號的密度最小也是減少電磁輻射的好方法，這種方法可采用表面積層技術(shù)Build-up設計做PCB來(lái)實(shí)現。表面積層通過(guò)在普通工藝 PCB 上增加薄絕緣層和用于貫穿這些層的微孔的組合來(lái)實(shí)現 ，電阻和電容可埋在表層下，單位面積上的走線(xiàn)密度會(huì )增加近一倍，因而可降低 PCB的體積。PCB 面積的縮小對走線(xiàn)的拓撲結構有巨大的影響，這意味著(zhù)縮小的電流回路，縮小的分支走線(xiàn)長(cháng)度，而電磁輻射近似正比于電流回路的面積；同時(shí)小體積特征意味著(zhù)高密度引腳封裝器件可以被使用，這又使得連線(xiàn)長(cháng)度下降，從而電流回路減小，提高電磁兼容特性。

4 其它可采用技術(shù)

為減小集成電路芯片電源上的電壓瞬時(shí)過(guò)沖，應該為集成電路芯片添加去耦電容。這可以有效去除電源上的毛刺的影響并減少在印制板上的電源環(huán)路的輻射。
當去耦電容直接連接在集成電路的電源管腿上而不是連接在電源層上時(shí)，其平滑毛刺的效果最好。這就是為什么有一些器件插座上帶有去耦電容，而有的器件要求去耦電容距器件的距離要足夠的小。
任何高速和高功耗的器件應盡量放置在一起以減少電源電壓瞬時(shí)過(guò)沖。
如果沒(méi)有電源層，那么長(cháng)的電源連線(xiàn)會(huì )在信號和回路間形成環(huán)路，成為輻射源和易感應電路。
走線(xiàn)構成一個(gè)不穿過(guò)同一網(wǎng)線(xiàn)或其它走線(xiàn)的環(huán)路的情況稱(chēng)為開(kāi)環(huán)。如果環(huán)路穿過(guò)同一網(wǎng)線(xiàn)其它走線(xiàn)則構成閉環(huán)。兩種情況都會(huì )形成天線(xiàn)效應(線(xiàn)天線(xiàn)和環(huán)形天線(xiàn))。天線(xiàn)對外產(chǎn)生EMI輻射，同時(shí)自身也是敏感電路。閉環(huán)是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題，因為它產(chǎn)生的輻射與閉環(huán)面積近似成正比。
要具體實(shí)施以上所有的經(jīng)驗方法,人工計算是無(wú)法完成的,通過(guò)軟件仿真和EDA軟件控制。