關(guān)于高速PCB設(shè)計(jì)與高速信號的理解誤區(qū)，工程師你們中招了嗎？

ID:159936 · 發(fā)表于 2017-1-11 14:27

本期主要介紹在高速PCB設(shè)計(jì)中，高速信號與高速PCB設(shè)計(jì)存在一些理解誤區(qū)，水一般的男子從SI基礎(chǔ)理論及產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程經(jīng)驗(yàn)給出一些建議。
誤區(qū)一：GHz速率以上的信號才算高速信號？
提到“高速信號”，就需要先明確什么是“高速”，MHz速率級別的信號算高速、還是GHz速率級別的信號算高速？
傳統(tǒng)的SI理論對于“高速信號”有經(jīng)典的定義。
SI：Signal Integrity ，即信號完整性。
SI理論對于PCB互連線路的信號傳輸行為理解，信號邊沿速率幾乎完全決定了信號中的最大頻率成分，通常當(dāng)信號邊沿時(shí)間小于4~6倍的互連傳輸延時(shí)的情況下，信號互連路徑會(huì)被當(dāng)做分布參數(shù)模型處理，需要考慮SI行為。

所謂“高速”，就是指“信號邊沿時(shí)間小于4~6倍的互連傳輸延時(shí)”，可以看出電路板傳輸?shù)男盘柺欠駷椤案咚佟保恢蝗Q于信號的邊沿速率，還取決于電路板線路的路徑長度大小，當(dāng)兩者存在一定的比例關(guān)系時(shí)，該信號應(yīng)該按照“高速信號”進(jìn)行處理。
誤區(qū)二：有了仿真軟件平臺(tái)就可以做好高速PCB設(shè)計(jì)？
現(xiàn)在的EDA設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)都集成了高速信號仿真功能，這對于高速PCB設(shè)計(jì)的規(guī)則制定與執(zhí)行，信號質(zhì)量仿真與評估都有很大的幫助。
但是，在PCB實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)仿真結(jié)果顯示信號質(zhì)量良好，但是實(shí)際測試時(shí)信號質(zhì)量很差，不滿足信號測試標(biāo)準(zhǔn)，問題出在哪？
實(shí)際上，仿真與測試是不可分的，拿IBIS模型為例，通常我們稱之為“行為級模型”，此類仿真模型也是通過芯片不同工作條件下的V、I測試曲線建立的，這就存在一個(gè)問題，仿真時(shí)如果不關(guān)注選取哪種工作條件下的芯片模型，就會(huì)仿真不準(zhǔn)，例如：Slow、Typical、Fast。
從上面的例子可以看出，“仿真模型庫”對于仿真結(jié)果至關(guān)重要，必須通過實(shí)際產(chǎn)品項(xiàng)目的仿真測試實(shí)際對比、修正后的仿真模型才能算作“準(zhǔn)確的仿真模型”。
有了好的仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)不能解決所有問題，還需要“準(zhǔn)確的仿真模型”，另外也要考慮到實(shí)際產(chǎn)品項(xiàng)目的應(yīng)用場景，仿真的某個(gè)信號網(wǎng)絡(luò)，會(huì)受到電源噪聲、其他信號串?dāng)_等因素影響，這同樣會(huì)造成測試結(jié)果與仿真結(jié)果的差異。
誤區(qū)三：仿真軟件中的PCB走線“傳輸線模型”是非常準(zhǔn)確的？
仿真軟件中的PCB走線不管是微帶線還是帶狀線，都可以通過仿真工具建立模型，這個(gè)模型基于層疊和實(shí)際走線的尺寸，通常情況下可以滿足精度要求，但是如果說“非常準(zhǔn)確”，那還有一些差距，這需要從以下幾個(gè)方面分析：
（1）PCB銅皮的粗化/棕化處理加工工藝對信號質(zhì)量有影響
PCB加工過程中，為了提高PCB銅皮層與介質(zhì)層的結(jié)合強(qiáng)度，降低PCB分層風(fēng)險(xiǎn)，都會(huì)有粗化/棕化處理工藝，就是通過打磨或者腐蝕的方式使銅皮表面變得粗糙。

我們知道，高速信號在導(dǎo)體中的傳輸，存在“趨膚效應(yīng)”，是指高頻信號傳輸時(shí)，在導(dǎo)體中流動(dòng)的電流將朝外圍或者導(dǎo)體的“表皮”遷移，如下圖所示：

PCB銅皮表面粗糙，一方面影響損耗、另一方面也會(huì)影響信號傳輸延時(shí)，這一點(diǎn)很好理解，就像汽車在崎嶇不堪的山路行駛時(shí)一定會(huì)比在柏油馬路上行駛更耗時(shí)。
（2）PCB介質(zhì)的介電常數(shù)Dk、正切損耗角Df是隨著頻率變化的
仿真工具中的PCB介質(zhì)的Dk、Df通常為常數(shù)，但是從信號實(shí)際傳輸?shù)慕嵌龋珼k/Df是隨著頻率變化的。
Dk隨頻率的變化示意圖（FR4板材）

Df隨頻率的變化示意圖（FR4板材）

既然Dk/Df會(huì)隨著傳輸信號的速率變化，那么如果仿真工具中把這兩個(gè)參數(shù)作為常量處理，就會(huì)對傳輸線模型的仿真精度造成影響，信號傳輸速率越高這種影響就會(huì)越大。
（3）PCB板材的“各向異性”影響
PCB板材通常是“環(huán)氧樹脂+玻璃布”的編織結(jié)構(gòu)，玻璃布的排列方向分為“經(jīng)向”、“緯向”，同時(shí)根據(jù)玻璃纖維的粗細(xì)及間距，分成不同型號的PCB板材，如：1080、2116等。當(dāng)PCB板材采用不同類型玻璃布時(shí)，玻璃布與樹脂在板材中的成分比例是不同的。

玻璃布與樹脂材料的Dk/Df值相差比較大，當(dāng)PCB正常走線與玻璃布的相對位置出現(xiàn)差異時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致參考介質(zhì)的Dk/Df值不同、信號的阻抗及損耗情況也會(huì)不同，如下圖所示，這也是為什么有些項(xiàng)目要求整板PCB走線方向要采用10°的原因。

誤區(qū)四：一種仿真軟件平臺(tái)可以搞定所有信號仿真問題？
答案顯然是否定的，目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的仿真軟件平臺(tái)可以適用于所有信號仿真場景。行為級信號質(zhì)量仿真用Cadence SPB SigXplorer，晶體管級仿真用Synopsys Hspice，三維電磁場建模用Ansoft HFSS，時(shí)域頻域混合仿真用Ansoft ADS 。。。。。。
仿真軟件平臺(tái)目前還是林林總總，目前還沒有哪一款軟件可以一統(tǒng)江湖，Cadence收購了Sigrity、將Sigrity軟件的功能集成到SPB設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，仿真功能比較全面，但如果要統(tǒng)一所有的信號仿真分析平臺(tái)還需要時(shí)間。

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