高速數(shù)字電路信號(hào)完整性分析

孫婷，王沖

（西安烽火電子科技有限責(zé)任公司，陜西西安，710000）

1 傳輸線路模型

電路的傳輸線路的基本特征之一是信號(hào)在線路上消耗的傳輸時(shí)間，傳輸線路也被稱之為延遲線路。傳輸線路可劃分為均勻傳輸線路和非均勻傳輸線路兩類，PCB電路板上的線路可認(rèn)為是均勻傳輸線路，這里僅對(duì)均勻傳輸線路進(jìn)行研究。均勻傳輸線路是指整個(gè)走線長(zhǎng)度上是均勻分布的，主要具備三點(diǎn)特性：（1）電參數(shù)分布在整個(gè)線路上；（2）信號(hào)在線路上傳輸所需時(shí)間，信號(hào)在線路中傳輸過程有可能受到線長(zhǎng)影響而發(fā)生畸變；（3）信號(hào)受時(shí)間和位置兩個(gè)因素影響。高速數(shù)字電路中，信號(hào)在線路上的傳輸時(shí)間遠(yuǎn)大于信號(hào)的變化時(shí)間，需要采用傳輸線模型來表示連線分布特性。傳輸線由兩個(gè)理想導(dǎo)體組成，設(shè)定理想導(dǎo)體具備相同截面積、阻抗為零和可無限延展特性，即認(rèn)為理想傳輸線路是通過無限個(gè)數(shù)的電容和電感組合而成，理想傳輸線路模型如圖1所示。

圖1 理想傳輸線路模型

理想傳輸線路模型忽略了信號(hào)在線路傳輸中的損耗，在實(shí)際狀態(tài)中，由于金屬具有非完全導(dǎo)電特性，且介質(zhì)具有非完全絕緣特性，線路模型應(yīng)對(duì)損耗進(jìn)行考慮，可引入一個(gè)串聯(lián)的電阻和一個(gè)接地的并聯(lián)電阻表示線損。引入RLCG模型表示近似的等效電路模型，RLCG模型如圖2所示，圖中RDZ電阻等效導(dǎo)線的導(dǎo)電率引起的線損，GDZ電阻表示介質(zhì)的阻抗引起的線損，LDZ表示磁場(chǎng)效應(yīng)，CDZ表示導(dǎo)線和地面間形成的電磁。

圖2 RLCG模型

在高速數(shù)字電路中，傳輸線路由兩條導(dǎo)體線路組成，一條導(dǎo)體線路用來傳輸信號(hào)，另一條導(dǎo)線連接底線，用來產(chǎn)生回路。在多層電路板中，每條線路均是傳輸線路的一部分，其相鄰的參考面被看作是另外一條線路，構(gòu)成回路。若要構(gòu)成一條性能良好的傳輸線路，需要保證該線路的阻抗特性是常定值，該信號(hào)線可稱作可控阻抗線。高速數(shù)字電路中，電路板中常用的信號(hào)線分為帶狀線和微帶線兩類。

2 信號(hào)完整性分析

信號(hào)在電路中傳輸共促，實(shí)際的信號(hào)波形是由原信號(hào)波形和一些噪聲疊加而成，干擾波形主要由串?dāng)_、反射、開關(guān)噪聲等引起。在電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮多種因素的影響，盡量避開或降低干擾源，實(shí)現(xiàn)最佳電路走線方案。

2.1 信號(hào)串?dāng)_

串?dāng)_是指由于電磁場(chǎng)對(duì)傳輸線路的影響，從而造成信號(hào)在線路傳輸?shù)倪^程中受到噪聲干擾。當(dāng)串?dāng)_噪聲足夠大時(shí)，突破信號(hào)抗擾上限則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)誤觸發(fā)，致使信號(hào)傳輸錯(cuò)誤，導(dǎo)致系統(tǒng)故障發(fā)生。當(dāng)兩條走線非?？拷鼤r(shí)，其中一條線路作為驅(qū)動(dòng)線使用，線路中有電流產(chǎn)生，該線路中的電流會(huì)通過耦合作用串入到臨近的另一條線路中，從而產(chǎn)生兩個(gè)噪聲。其中一個(gè)噪聲信號(hào)的流向與驅(qū)動(dòng)線路中的電流方向相同，該串?dāng)_信號(hào)被稱作前向串?dāng)_。另外一個(gè)噪聲信號(hào)的方向與驅(qū)動(dòng)線路的電流方向相反，被稱作反向串?dāng)_。產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)可劃分為兩種類型，一種類型為電容性串?dāng)_，另一種類型為電感性串?dāng)_。電容型串?dāng)_可以是前向性串?dāng)_，也可以是后向性串?dāng)_，電感型串?dāng)_均為后向性串?dāng)_。串?dāng)_類型示意圖如圖3所示，圖中在X位置產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，從而激發(fā)了感性串?dāng)_和容性串?dāng)_，（2）表示感性串?dāng)_，屬于后向型串?dāng)_，（3）表示容性串?dāng)_，包括前向和后向兩部分串?dāng)_。在前向串?dāng)_種，感性串?dāng)_和容性串?dāng)_發(fā)生了部分性抵消，串?dāng)_的主要危害部分是后向串?dāng)_。隨著耦合線路長(zhǎng)度越長(zhǎng)，后向性串?dāng)_的寬度會(huì)增加，但其幅度不發(fā)生變化，而前向性串?dāng)_的寬度不發(fā)生變化，其幅度會(huì)發(fā)生增加。

圖3 串?dāng)_類型示意圖

2.2 信號(hào)反射

在高速數(shù)字電路中，信號(hào)在線路傳輸?shù)倪^程中，當(dāng)線路的阻抗發(fā)生不連續(xù)時(shí)，部分信號(hào)能量將在阻抗不連續(xù)點(diǎn)處發(fā)生回傳現(xiàn)象，稱之為信號(hào)發(fā)射，發(fā)射能量的大小取決于阻抗失配程度，隨著阻抗失配的增大，信號(hào)發(fā)射也會(huì)增強(qiáng)。在信號(hào)傳輸過程中，線路任何的不均勻性都可能造成信號(hào)發(fā)射，例如阻抗突變和線路直角等，反射可以導(dǎo)致模擬信號(hào)出現(xiàn)駐波，而對(duì)于數(shù)字信號(hào)，可以發(fā)生過沖和下沖影響。過沖和下沖波形如圖4所示，過沖是指信號(hào)的幅值沖出其設(shè)定幅值，出現(xiàn)一個(gè)峰值，峰值超出了參考額定電壓值。下沖是指信號(hào)的幅值超出下限值，出現(xiàn)一個(gè)低谷。經(jīng)常性的過沖或下沖會(huì)導(dǎo)致器件受損，特別嚴(yán)重的下沖可能超出邏輯電路的輸入切換門限，造成電路出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。

圖4 過沖和下沖波形

線路阻抗受到影響的因素主要可以分為三類：線寬、線高和介質(zhì)材料。傳輸線路可以看作是無線個(gè)電容和電感構(gòu)成，其具有一個(gè)定常的阻抗值，阻抗值有特征電感與特征電容的比值得到，當(dāng)在線路的一端加入一個(gè)電阻，當(dāng)電阻與線路阻抗相匹配時(shí)，可使得線路的反射系數(shù)為零，從而避免發(fā)生反射。消除反射方法主要包括并聯(lián)匹配法、交流匹配法、戴維南匹配法、源端匹配法和二極管匹配法等。在實(shí)際的電路中，應(yīng)注意匹配電路的設(shè)計(jì)位置，通過合理的布局避免發(fā)射的發(fā)生。

2.3 同步開關(guān)噪聲

在數(shù)字電路中存在大量的邏輯電路，當(dāng)多個(gè)數(shù)字邏輯電路的電平同時(shí)發(fā)生跳變時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅值很大的瞬態(tài)沖擊電流，例如當(dāng)?shù)刂房偩€的數(shù)值從0同時(shí)突變?yōu)?。因?yàn)樾酒庋b與供電電源間存在寄生的電氣器件，由于這些電容和電感發(fā)生渦合作用，將產(chǎn)生較大的噪聲，這里稱作同步開關(guān)噪聲[6]。有噪聲產(chǎn)生的路徑不同，同步開關(guān)噪聲分為芯片內(nèi)噪聲和芯片外噪聲兩種。較為常見的開關(guān)噪聲為地彈噪聲，屬于芯片外噪聲的一種。任何封裝的芯片管腳上均又電感電容等寄生參數(shù)，芯片管腳上的電感可導(dǎo)致地彈噪聲的發(fā)生。隨著集成電路的規(guī)模大幅度增加，其開關(guān)頻率大幅度提升，若不對(duì)地彈噪聲進(jìn)行抑制，將會(huì)影響到電路性能。減少地彈噪聲的方法可分為降低數(shù)字開關(guān)的頻率，對(duì)芯片封裝增設(shè)更多的地線管腳，為功率芯片重新設(shè)計(jì)電源管腳，為輸入電路的地線設(shè)計(jì)參考地管腳，信號(hào)線盡量采用差分輸入。

3 結(jié)論

數(shù)字電路系統(tǒng)向著小型化和快速化的方向發(fā)展，在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的過程中，保證信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)，可大幅度減少電路設(shè)計(jì)時(shí)間，提高電路設(shè)計(jì)質(zhì)量，其對(duì)提升PCB電路性能具有重要輔助功能。另外，關(guān)于信號(hào)完整性分析問題也存在著很多具有挑戰(zhàn)性的問題，有待進(jìn)行更深入的探索，隨著信號(hào)完整性模型及分析的不斷完善，信號(hào)完整性分析將在PCB電路設(shè)計(jì)中得到更多的應(yīng)用。