信号在PCB走线中传输时延

《信号在PCB走线中传输时延》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号在PCB走线中传输时延（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、信 号 在 PCB 走 线 中 传 输 时 延摘 要 ： 信 号 在 媒 质 中 传 播 时 ， 其 传 播 速 度 受 信 号 载 体 以 及 周 围 媒 质 属 性 决 定 。 在PCB（ 印 刷 电 路 板 ） 中 信 号 的 传 输 速 度 就 与 板 材 DK（ 介 电 常 数 ） ， 信 号 模 式 ， 信 号 线 与信 号 线 间 耦 合 以 及 绕 线 方 式 等 有 关 。 随 着 PCB 走 线 信 号 速 率 越 来 越 高 ， 对 时 序 要 求 较 高的 源 同 步 信 号 的 时 序 裕 量 越 来 越 少 ， 因 此 在 PCB 设 计 阶 段 准 确 知 道 P

2、CB 走 线 对 信 号 时延 的 影 响 变 的 尤 为 重 要 。 本 文 基 于 仿 真 分 析 DK， 串 扰 ， 过 孔 ,蛇 形 绕 线 等 因 素 对 信 号 时延 的 影 响 。关 键 词 ： 传 输 时 延 , 有 效 介 电 常 数 ， 串 扰 DDR 奇 偶 模 式1.引 言信 号 要 能 正 常 工 作 都 必 须 满 足 一 定 的 时 序 要 求 ， 随 着 信 号 速 率 升 高 ， 数 字 信 号 的 发 展经 历 了 从 共 同 步 时 钟 到 源 同 步 时 钟 以 及 串 行 （ serdes） 信 号 。 在 当 今 的 消 费 类 电 子 ， 通信 服

3、 务 器 等 行 业 ， 源 同 步 和 串 行 信 号 占 据 了 很 大 的 比 重 。 串 行 信 号 比 如 常 见PCIE， SAS， SATA， QPI， SFP+， XUAI， 10GBASE-KR 等 信 号 ， 源 同 步 信 号 比 如DDR 信 号 。串 行 信 号 在 发 送 端 将 数 据 信 号 和 时 钟 （ CLK） 信 号 通 过 编 码 方 式 一 起 发 送 ， 在 接 收端 通 过 时 钟 数 据 恢 复 （ CDR） 得 到 数 据 信 号 和 时 钟 信 号 。 由 于 时 钟 数 据 在 同 一 个 通 道 传 播 ，串 行 信 号 对 和 对 之

4、 间 在 PCB 上 传 输 延 时 要 求 较 低 ， 主 要 依 靠 锁 相 环 （ PLL） 和 芯 片 的 时钟 数 据 恢 复 功 能 。源 同 步 时 钟 主 要 是 DDR 信 号 ， 在 DDR 设 计 中 ， DQ（ 数 据 ） 信 号 参 考 DQS（ 数据 选 通 ） 信 号 ， CMD（ 命 令 ） 信 号 和 CTL（ 控 制 ） 信 号 参 考 CLK（ 时 钟 ） 信 号 ， 由 于DQ 的 速 率 是 CMD&CTL 信 号 速 率 2倍 ， 所 以 DQ 信 号 和 DQS 信 号 之 间 的 传 输 延 时 要 求比 CMD&CTL 和 CLK 之 间 的

5、要 求 更 高 。 目 前 市 场 上 主 流 的 为 DDR1/ DDR2/ DDR3。 DDR4预 计 在 2015年 将 成 为 消 费 类 电 子 的 主 要 设 计 ， 随 着 DDR 信 号 速 率 的 不 断提 高 ， 在 DDR4设 计 中 特 别 是 DQ 和 DQS 之 间 传 输 时 延 对 设 计 者 提 出 更 高 的 挑 战 。在 PCB 设 计 的 时 候 为 了 时 序 的 要 求 需 要 对 源 同 步 信 号 做 一 些 等 长 ， 一 些 设 计 工 程 师忽 略 了 这 个 信 号 等 长 其 实 是 一 个 时 延 等 长 ， 或 者 说 是 一 个

6、时 间 等 长 。2.传 输 时 延 简 介Time delay 又 叫 时 延 (TD)， 通 常 是 指 电 磁 信 号 或 者 光 信 号 通 过 整 个 传 输 介 质 所 用 的 时 间 。在 传 输 线 上 的 时 延 就 是 指 信 号 通 过 整 个 传 输 线 所 用 的 时 间 。Propagation delay 又 叫 传 播 延 迟 (PD)， 通 常 是 指 电 磁 信 号 或 者 光 信 号 在 单 位 长 度 的 传输 介 质 中 传 输 的 时 间 延 迟 ， 与 “传 播 速 度 ”成 反 比 例 （ 倒 数 ） 关 系 ， 单 位 为“Ps/inch”或

7、“s/m”。从 定 义 中 可 以 看 出 时 延 =传 播 延 迟 *传 输 长 度 (L)其 中v 为 传 播 速 度 ， 单 位 为 inch/ps 或 m/sc 为 真 空 中 的 光 速 （ 3X108 m/s）r 为 介 电 常 数PD 为 传 播 延 迟 ， 单 位 为 Ps/inch 或 s/mTD 为 信 号 通 过 长 度 为 L 的 传 输 线 所 产 生 的 时 延L 为 传 输 线 长 度 ， 单 位 为 inch 或 m从 上 面 公 式 可 以 知 道 ， 传 播 延 迟 主 要 取 决 于 介 质 材 料 的 介 电 常 数 ， 而 传 播 时 延 取 决 于

8、介 质 材料 的 介 电 常 数 、 传 输 线 长 度 和 传 输 线 横 截 面 的 几 何 结 构 （ 几 何 结 构 决 定 电 场 分 布 ， 电 场 分 布决 定 有 效 介 电 常 数 ） 。 严 格 来 说 ， 不 管 是 延 迟 还 是 时 延 都 取 决 于 导 体 周 围 的 有 效 介 电 常 数 。在 微 带 线 中 ， 有 效 介 电 常 数 受 横 截 面 的 几 何 结 构 影 响 比 较 大 ； 而 串 扰 ， 其 有 效 介 电 常 数 受 奇偶 模 式 的 影 响 较 大 ； 不 同 绕 线 方 式 有 效 介 电 常 数 受 其 绕 线 方 式 的 影

9、响 。3.仿 真 分 析 过 程3.1 微 带 线 和 带 状 线 传 输 时 延PCB 中 微 带 线 是 指 走 线 只 有 一 个 参 考 面 ， 如 下 图 1； 带 状 线 是 指 走 线 有 2个 参 考面 ， 如 下 图 2.带 状 线 由 于 电 磁 场 都 被 束 缚 在 两 个 参 考 面 之 间 的 板 材 中 ， 所 以 走 线 的 有 效 介 电 常 数 为 板材 的 介 电 常 数 。微 带 线 会 导 致 部 分 电 磁 场 暴 露 在 空 气 中 ， 空 气 的 相 对 介 电 常 数 约 为 1.0006， 板 材 如 常 规FR4的 介 电 常 数 为 4.

10、2， 那 么 微 带 线 的 有 效 介 电 常 数 在 1和 4.2之 间 ， 可 以 利 用 下 面 的 公 式计 算 微 带 线 的 有 效 介 电 常 数 【 Collins,1992】 ：e = (r +1)/2 + (r -1)/2（ 1+12H/W） -1/2 + F -0.217(r -1)T/WH 式 3.1 F = 0.02 (r -1)（ 1-W/H） 2 (W/H 1) 式3.2其 中 ， e 为 有 效 介 电 常 数 ， r 为 电 路 板 材 料 的 介 电 常 数 ， H 为 导 线 高 于 地 平 面 的 高度 ， W 为 导 线 宽 度 ， T 为 导 线

11、厚 度 。 图 4 微 带 线 层 叠 与 时 延图 5 带 状 线 层 叠 和 时 延在 图 4和 图 5的 层 叠 结 构 下 ， 1000mil 的 走 线 时 延 差 =179.729ps-147.954ps=31.775ps， 可 以 看 出 这 个 差 距 是 非 常 大 的 。 在 做 源 同 步 的 DDR 同 组 等 长时 候 只 考 虑 物 理 等 长 会 带 来 很 严 重 的 时 间 不 等 长 。3.2 走 线 和 过 孔 传 输 时 延在 PCB 设 计 时 候 ， 经 常 会 遇 到 走 线 换 层 ， 走 线 换 层 必 须 借 助 于 过 孔 。 但 长 度

12、相 等 的 过 孔和 走 线 之 间 的 时 延 并 不 相 等 。 过 孔 的 时 延 可 以 用 式 3.3表 示TD_via=LC 式 3.3其 中 TD_via 表 示 信 号 经 过 过 孔 的 时 延 ， L 表 示 过 孔 的 寄 生 电 感 ， C 表 示 过 孔 的 寄生 电 容 。 从 式 3.3可 以 看 出 寄 生 电 容 和 寄 生 电 感 都 会 导 致 过 孔 的 传 输 时 延 变 大 。 而 不 同 过 孔结 构 寄 生 参 数 也 会 发 生 改 变 。 下 面 通 过 仿 真 分 析 过 孔 时 延 和 传 输 线 时 延 时 间 的 偏 差 。图 6 过

13、 孔 结 构 及 寄 生 参 数如 图 6所 示 过 孔 结 构 时 延 可 以 根 据 式 3.3计 算 出 ：TD_via=LC=sqr（ 0.4021pf*1326.2pH） =23.1ps 式 3.4由 式 3.4可 以 看 出 ， 结 构 如 图 6所 示 过 孔 的 传 输 时 延 为 23.1ps。 而 对 于 普 通 FR4板 材 的 微 带 线 ， 1.6mm 走 线 传 输 时 延 约 为 11ps， 对 于 带 状 线 约 为 12.5ps。 通 过 计 算 可以 看 出 相 同 长 度 的 走 线 和 过 孔 之 间 的 时 延 相 差 是 非 常 大 的 。 因 此

14、对 设 计 工 程 师 来 讲 设 计 的 时候 尽 量 做 到 以 下 两 点 ：1） 需 要 做 等 长 的 信 号 要 尽 量 走 同 层 ， 换 层 时 需 要 注 意 总 的 长 度 要 保 持 相 等 并 且 每 层 走线 都 需 要 等 长 。 2） 需 要 等 长 的 信 号 走 相 同 走 线 层 可 以 保 持 过 孔 的 时 延 一 致 ,从 而 消 除 过 孔 时 延 不一 致 带 来 的 影 响 。3.3 串 扰 对 信 号 时 延 的 影 响 。PCB 板 上 线 与 线 的 间 距 很 近 ， 走 线 上 的 信 号 可 以 通 过 空 间 耦 合 到 其 相 邻

15、 的 一 些 传 输 线上 去 ， 这 个 过 程 就 叫 串 扰 。 串 扰 不 仅 可 以 影 响 到 受 害 线 上 的 电 压 幅 值 ， 同 时 还 会 影 响 到 受 害线 上 信 号 的 传 输 时 延 。图 7 串 扰 拓 扑 图如 图 7串 扰 拓 扑 图 所 示 ,假 设 有 3根 相 互 耦 合 的 传 输 线 ， 中 间 的 一 根 线 （ 图 8中D1） 为 受 害 线 ， 两 边 的 线 （ 图 8中 D0&D2） 为 攻 击 线 。 仿 真 中 所 加 的 激 励 源 为 图 8所示 ， 分 为 三 种 情 况 ：1， 假 设 两 边 的 攻 击 线 中 没 有

16、信 号 ， 即 不 存 在 串 扰 ， 此 种 情 况 作 为 参 考 基 准 线（ Reference） ；2， 假 设 攻 击 线 和 受 害 线 切 换 状 态 一 致 ， 此 种 情 况 为 偶 模 （ Even Mode）3， 假 设 攻 击 线 和 受 害 线 切 换 状 态 相 反 ， 此 种 情 况 为 奇 模 （ Odd Mode） 图 8 串 扰 仿 真 中 激 励奇 偶 模 式 空 间 电 磁 场 分 布 （ 如 图 9&图 10所 示 ） 不 同 ， 从 而 导 致 了 传 输 线 周 围 的 有 效介 质 电 常 数 不 同 ， 有 效 介 电 常 数 的 不 同 最 终 带 来 了 在 不 同 激 励 源 的 情 况 下 信 号 传 播 速 度 不 同 。图 9 奇 模 电 磁 场 分 布