高速电路信号完整性分析与设计四(3)

2019-01-27 14:07

之对信号就会产生影响。经验规则用式子来表示:

(4.4)

其中Lstubmax 为可接受的分支长度的最大值,单位为inch;RT为信号的上升时间,单位为ns

这是个简单,易记的规则。例如,对于1ns的上升时间,应保持分支长度小于1inch。很明显,当上升时间变短时,将分支长度减小,使其不影响到信号的完整性,就变得越来越困难。

4.2.4 容性分支在传输线中间引起的反射影响

附着在走线中间的测试点,通孔,封装引线,甚至一小段分支,作用就像一个集总电容。图4.19所示就是一个电容加在走线中间时,发射电压和反射电压的仿真结果。因为电容最初的阻抗较低,反射回源端的信号将有轻微的负极性偏向。下图所示的情况是上升时间为0.5ns,电容分别为0,2,5,10pF的情况。

图4.19 中间接有电容时,发射信号和反射信号的仿真结果

发射信号最初不会受到影响,但是当它从走线末端返回到源端时,就会受到影响。返回的信号再次遇到电容,其中一些信号将带有负号,反射回远端。这些反射回到接收端就为负的电压,使接收到的信号下降,导致下冲。

传输线中间理想电容的影响依赖于信号的上升时间和电容的大小。电容越大,阻抗越小,就会产生更大的负极性反射电压,导致接收端出现更大的下冲。

在时域内,电容的阻抗为:

如果信号是线性倾斜的,带有上升时间为RT,dV/dt变为V/RT,电容的阻抗为:

在上升时间的时间间隔内,信号线与返回路径间的电容是分流阻抗Zcap,,跨越传输线的分流阻抗会导致反射。如图4.20所示。为了使该阻抗的存在不产生严重问题,希望这个阻抗要比传输线的阻抗大的多,即希望Zcap >> Z0 作为起始位置,Zcap > 5 x Z0 则电容和上升时间的约束条件为:

1

Cmax =反射噪声可能成问题之前,可接受的电容的最大值,单位为nF。

图4.20电容作为分流阻抗的情况

例如,假设特性阻抗为50欧姆,最大可允许的电容为:

为了避免容性的不连续性产生过多的下冲噪声,要保证电容(单位nF)小于上升时间的4倍(单位ns)。即,如果上升时间为1ns,最大可允许的电容为4pF。

4.2.5 拐角和通孔的影响

当信号沿着均匀的互连线传输时,发射信号不存在反射及失真。如果均匀互连线存在90度的弯曲,就有阻抗的改变,则发生反射及信号的失真。90度的拐角导致了均匀互连线阻抗的不连续性,影响了信号的完整性。图4.21所示是对上升时间为50psec的信号所作的TDR响应,附近有2个90度的拐角,阻抗不连续性而导致反射,线宽为65mil,阻抗为50欧姆,

图4.21走线上存在90度的拐角时信号的TDR响应

将90度的拐角转换为45度的弯曲将会减小这种影响,如果改用常宽的圆弧状弯曲,影响会进一步减小。

拐角对信号传输线的唯一影响是由于走线弯曲处的额外宽度。这个额外的线宽作用就像一个容性的不连续性。这个容性的不连续性导致了信号的反射和时延。

如果走线的弯曲处是常宽的,走线宽度没有改变,信号在拐弯的每一点遇到的阻抗都是

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相同的,那么就不会有反射。图4.22表明了拐角代表了正方形的一部分,粗略的估计,有正方形的一半。

图4.22对拐角所带来多余金属部分的简单估计

拐角的电容可从正方形的电容以及走线单位长度的电容来估算:

走线单位长度的电容与走线的特性阻抗有关:

对拐角电容的估计为:

CL 为单位长度的电容,单位为pF/inch W为走线的线宽,单位为inch

Z0 为走线的特性阻抗,单位为欧姆 ?r 为介质的介电常数

如上述例子,线宽为0.065inch,90度的拐角大概的电容为40/50 x 2 x 0.065 = 0.1 pF = 100 fF,因为有2个90度的拐角,因此,电容为200pF。图4.23就是对这种情况仿真结果和测量结果的比较。测量结果是采用Agilent DCA 86100以及GigaTest Labs Probe Station,仿真是采用TDA系统的Iconnect软件。

图4.23测量结果和仿真结果的对比

1

我们可以把这个估算概括成为一个方便记忆的经验规则,在50欧姆的传输线中,拐角所带来的相关电容为2×线宽。线宽单位为mils,电容单位为fF。

若仍然保持50欧姆的阻抗,而线宽变窄,则拐角所带来的电容将便小,影响就不明显了。对于高密度电路板上的标准信号线,5mils的线宽,管脚的电容为10fP。

10fP的电容所带来的反射噪声信号的上升时间,根据公式

上升时间为0.010pF/4~3ps.

10fP的电容所带来的信号的时延,根据公式

时延为0.5×50×0.01pF=0.25ps。

如果用通孔来连接一根信号线与测试点,或是与相邻板层的另一根信号线相连,通孔会对于电路板的不同层具有过多的电容。这时,通孔可看作是一个集总的电容负载。通孔的电容大小依赖于孔的大小,隔离孔,板的表层及底层焊点的大小。它的大小可从0.1pF到超过1pF的范围。信号线上的任一通孔都可看作是容性的不连续性,在高速互连中,是影响信号完整性的主要因素。

图4.24所示了在10层板中,10inch长的均匀走线上带有通孔和不带通孔时测量的TDR响应。走线阻抗约为58欧姆,线宽在标称下为8mils。信号的上升时间约为50ps。两个通孔间反射电压的差值是由于当信号沿着走线传播时,在介质中的损耗而导致上升时间的下降造成的。走线上反射电压的变化是制造工艺中阻抗的不连续造成的。采用Agilent DCA 86100, GigaTest Labs Probe Station,以及TDA系统Iconnect软件进行测量.

图4.24测量结果示意图

4.2.6 载重线的反射影响

当传输线上有一个容性负载时,信号会发生失真,并且上升时间下降。如果有多个负载分布在传输线上,如果间隔与信号上升时间的空间延展相比要短,则从每个电容性不连续的反射会消除。带有均匀间隔分布的容性负载的传输线叫做载重线。

每个不连续段都可看作是较低阻抗的区域。如果上升时间与电容间的时延相比要短时,每个间断的作用对信号来讲就像离散的不连续性。如果上升时间与电容间的时延相比要长时,低阻抗区域叠加,整个线的平均阻抗更低。

对于三个不同的上升时间,载重线的反射信号如图4.25所示。在该例中,5个3pF的电

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容每隔1inch分布在50欧姆的传输线上,走线的最后10inch没有负载。

图4.25上升时间不同情况下的反射信号

对于开始的几个电容,可看到明显的不连续性,但是后几个的电容带来的不连续性被消除。当上升时间与电容间时延相比要长时,均匀分布的容性负载产生的效果,即走线的表面看来的特性阻抗降低。在这种负载线中,单位长度的阻抗增加意味着特性阻抗更低,时延更长。

在均匀的,未加电容负载的传输线中,特性阻抗和时延与单位长度的电容和电感有关:

Z0 =不带有电容负载时的特性阻抗,单位是欧姆 LL =走线单位长度的电感,单位pH/inch

C0L =不带有电容负载时,单位长度的电容,单位是pF/inch Len=走线的长度,单位是inches

TD0 =不带有电容负载的时延,单位是ps

如果有均匀分布的电容负载,每个负载为C1,间隔为d1,走线上单位长度分布的电容从C0L增加到(C0L+Cl/d1).特性阻抗和响应的时延为:

可见,当增加分布的电容负载时,走线的特性阻抗降低,则端接电阻也应降低。

4.2.7 电感性间断的影响

1 电感性间断引起反射及时延

几乎每种增加到传输线上的串行连接都伴随有环路电感。用于改变信号层的通孔,串联

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