硅尺寸對(duì)PCB信號(hào)完整性和EMI的影響

作者：Kris Moyer

晶片尺寸縮小時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況？正如設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師和Kris Moyer所闡述的那樣，會(huì)發(fā)生多種情況。不斷縮小的硅尺寸可能意味著信號(hào)速度及上升時(shí)間的增加，而傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己在處理以前只有射頻工程師才會(huì)遇到的問(wèn)題。

我們特別邀請(qǐng)了Kris Moyer簡(jiǎn)述硅尺寸縮小的利弊，以及PCB設(shè)計(jì)師和設(shè)計(jì)工程師在進(jìn)入射頻領(lǐng)域時(shí)需要了解的技術(shù)方法和權(quán)衡。

Andy Shaughnessy：本期主題是不斷縮小的硅尺寸對(duì)PCB信號(hào)完整性和EMI的影響。那么，晶片尺寸縮小，PCB設(shè)計(jì)師需要了解什么？

Kris Moyer：基本上，當(dāng)晶片尺寸縮小時(shí)發(fā)生的主要情況是，它會(huì)縮小晶片內(nèi)晶體管的通道長(zhǎng)度。它有效地提高了電路的速度，意味著減少了上升時(shí)間或下降時(shí)間。但是，此時(shí)不得不處理類(lèi)似射頻設(shè)計(jì)中的走線(xiàn)、幾何圖形和傳輸線(xiàn)問(wèn)題。

幾十年來(lái)，我們一直認(rèn)為射頻設(shè)計(jì)是小眾領(lǐng)域，需要處理所有和波和場(chǎng)相關(guān)的問(wèn)題。數(shù)字設(shè)計(jì)聚焦上升時(shí)間，而不是頻率。哪個(gè)驅(qū)動(dòng)因素，即關(guān)鍵因素，導(dǎo)致了所有這些高速設(shè)計(jì)的需求？頻率成分是什么？

傅里葉定理中，任何波形：方波、三角波、鋸齒波，都可以被重新創(chuàng)建為足夠數(shù)量的正弦波和足夠高諧波的余弦波的疊加。取一個(gè)基本頻率，1千赫。有A1、A3、A5和A10千赫。疊加所有這些諧波，最終會(huì)得到方波。那么，方波需要多方？這是一個(gè)讓很多設(shè)計(jì)師感到困惑的部分。

當(dāng)探討上升時(shí)間時(shí)，我們真正關(guān)注的是方波，數(shù)字信號(hào)，從邏輯0變?yōu)檫壿?所需的時(shí)間。隨著晶片的縮小，時(shí)間也會(huì)縮短。大約20年前，上升時(shí)間和下降時(shí)間是5~10納秒的倍數(shù)。信號(hào)從邏輯0變?yōu)檫壿?需要5~10納秒。只需要探究上升時(shí)間快至0.25納秒，即16納米的FPGA。

一些大型電信公司的朋友正在研究下一代硅，硅的工作速度將為5納米、3納米和2納米，未來(lái)將會(huì)低于100皮秒。它的上升時(shí)間不是0.25納秒，而是0.1納秒和0.05納秒。硅的上升時(shí)間如此之快，以至于我們需要?jiǎng)?chuàng)建從A0到A1的垂直方形邊緣所需的諧波數(shù)量，意味著傅里葉級(jí)數(shù)中疊加所涉及的頻率高達(dá)數(shù)千兆赫的頻率成分。這意味著需要在射頻頻率范圍內(nèi)設(shè)計(jì)。

Shaughnessy：即使你不是射頻專(zhuān)家，也需要處理射頻問(wèn)題。

Moyer：設(shè)計(jì)中的頻率與射頻設(shè)計(jì)的頻率相同，必須處理趨膚效應(yīng)和有損耗的傳輸線(xiàn)模型。過(guò)去只為射頻技術(shù)人員使用的高頻率設(shè)計(jì)，現(xiàn)在正在影響數(shù)字和模擬技術(shù)，盡管對(duì)模擬技術(shù)影響不大。但是，應(yīng)對(duì)這些快速上升時(shí)間的數(shù)字工程師現(xiàn)在必須考慮所有這些高頻RF成分。

我認(rèn)為很多工程師都沒(méi)有意識(shí)到，用傅里葉級(jí)數(shù)，這種轉(zhuǎn)換，需要有足夠的成分來(lái)產(chǎn)生如此快的方波?；旧?，表明頻率成分是存在的。但我不在乎時(shí)鐘頻率是什么。頻率成分存在于方波中，因?yàn)楣璩叽缫呀?jīng)縮小，這意味著邊緣速率的DI/DT現(xiàn)在包含了這個(gè)頻率成分，無(wú)論是否想要，這是設(shè)計(jì)師需要了解和充分概念化的最大問(wèn)題。簡(jiǎn)而言之，頻率含量的存在僅僅是因?yàn)楣璩叽绲目s小。

Shaughnessy：他們現(xiàn)在意外地成為了射頻工程師。

Moyer：差不多是這樣。就在20到30年前，也許頻率是100兆赫，用相當(dāng)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)規(guī)則仍然可以完成設(shè)計(jì)。由于這些邊緣速率而發(fā)生的另一個(gè)大問(wèn)題是我們所稱(chēng)的過(guò)渡電氣長(zhǎng)度，即信號(hào)在從A0主動(dòng)變化到A1時(shí)沿傳輸線(xiàn)傳播的距離。距離也縮小了，這是數(shù)字設(shè)計(jì)的另一個(gè)問(wèn)題。

過(guò)去，只要信號(hào)向下傳播的走線(xiàn)長(zhǎng)度短于信號(hào)在切換邊緣傳播的距離，就不會(huì)有太多的數(shù)字信號(hào)布線(xiàn)問(wèn)題。沒(méi)有明顯的反射問(wèn)題，因?yàn)樵诜e極地驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在積極地向傳輸線(xiàn)投入能量，或從傳輸線(xiàn)中取出能量。這種主動(dòng)驅(qū)動(dòng)將可克服任何反射或串?dāng)_、上升時(shí)間等。同樣，在A(yíng)1納秒的邊緣速率和4.0的介電常數(shù)下，得到了大約6英寸的走線(xiàn)，在電路板上，這是相當(dāng)長(zhǎng)的距離，為四分之一納秒?，F(xiàn)在必須開(kāi)始處理端接技術(shù)、避免串?dāng)_以及所有這些技術(shù)問(wèn)題，因?yàn)榫呀?jīng)縮小，所以切換邊緣變得更快。

Shaughnessy：所以，聽(tīng)起來(lái)“通常”P(pán)CB設(shè)計(jì)師需要在設(shè)計(jì)周期開(kāi)始之前就意識(shí)到所有這些潛在的陷阱。設(shè)計(jì)師可以做些什么來(lái)提前了解這些信息？

Moyer：第一步：假設(shè)電路板上有數(shù)字芯片，就會(huì)有信號(hào)完整性問(wèn)題，必須采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)完整性和設(shè)計(jì)分析方法。根據(jù)疊層，決定傳播速度和過(guò)渡電氣長(zhǎng)度，并設(shè)置適當(dāng)?shù)拇?lián)端接。這需要電路板工程師和電路工程師合作。

如果貴公司沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的信號(hào)完整性分析工程師，電氣工程師應(yīng)能夠進(jìn)行信號(hào)完整性分析，以確定適當(dāng)?shù)拇?lián)端接電阻值。并行要求是什么？假設(shè)在把第一條走線(xiàn)放在PCB上之前，就要考慮這些要求。假設(shè)存在信號(hào)完整性相關(guān)問(wèn)題，據(jù)此創(chuàng)建并定義所有設(shè)計(jì)規(guī)則。

Nolan Johnson：正如你所說(shuō)，這不是真正的黑魔法。

Moyer：關(guān)于這個(gè)主題，Howard Johnson博士撰寫(xiě)了很棒的教科書(shū)：《高速數(shù)字設(shè)計(jì)：黑魔法手冊(cè)》。他將自己的書(shū)命名為“黑魔法”，因?yàn)樵谠缙冢藗儗?duì)這一切都不太了解。這些結(jié)構(gòu)是什么樣子的？設(shè)計(jì)師真正需要理解的重點(diǎn)是，需要停止從二維角度思考電路板結(jié)構(gòu)。我們需要開(kāi)始將它們視為3D結(jié)構(gòu)，考慮Z軸與平面的分離。走線(xiàn)邊緣有邊緣電容這一事實(shí)呢？走線(xiàn)有一條垂直的邊緣；它不僅僅是扁平的走線(xiàn)，盡管這是我們繪制它的方式。在CAD工具中，真的需要開(kāi)始將板上的所有結(jié)構(gòu)視為3D結(jié)構(gòu)。這些3D結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)是什么？它們?cè)诟哳l下會(huì)如何表現(xiàn)？

Shaughnessy：誰(shuí)是這個(gè)領(lǐng)域的知名導(dǎo)師？誰(shuí)寫(xiě)過(guò)這方面的書(shū)？

Moyer：就作者而言，有4位主要專(zhuān)家。我已經(jīng)提到Howard Johnson。《速度邊緣》的作者Lee Ritchey是一位杰出的權(quán)威和信號(hào)完整性導(dǎo)師和作者。Doug Brooks已經(jīng)寫(xiě)了很多關(guān)于這方面的書(shū)， Eric Bogatin也寫(xiě)過(guò)很多關(guān)于該主題的書(shū)。

還有Rick Hartley，他也在展會(huì)舉辦過(guò)許多信號(hào)完整性課程，以及專(zhuān)業(yè)發(fā)展課程。我認(rèn)為這5位是信號(hào)完整性方面的專(zhuān)家。我有他們撰寫(xiě)的所有課程，我自己也經(jīng)常參考這些課本。

Johnson：Kris，你有什么想要補(bǔ)充的內(nèi)容嗎？

Moyer：我想說(shuō)硅不是新領(lǐng)域，隨著硅尺寸不斷縮小，人們對(duì)此關(guān)注度不斷增加。這點(diǎn)將越來(lái)越明顯，并且絕對(duì)是所有設(shè)計(jì)師和工程師都需要認(rèn)真對(duì)待和處理的。因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)法則不再占據(jù)主導(dǎo)地位，20年前的事實(shí)如今已不復(fù)存在。

編輯：黃飛