如何實(shí)現(xiàn)高速PCB設(shè)計的信號完整性

信號完整性(SI)問題正成為數(shù)字硬件設(shè)計人員越來越關(guān)注的問題。由于無線基站、無線網(wǎng)絡(luò)控制器、有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)及軍用航空電子系統(tǒng)中數(shù)據(jù)速率帶寬增加，電路板的設(shè)計變得日益復(fù)雜。

目前，芯片間高速串行鏈接已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，以提高整體吞吐性能。處理器、FPGA及數(shù)字信號處理器可相互傳輸大量數(shù)據(jù)。此外，該數(shù)據(jù)可能必須從電路板發(fā)出，通過背板傳輸至交換卡，而交換卡可將數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)箱內(nèi)的其他卡或“系統(tǒng)”內(nèi)的其他地方。支持RapidIO的交換可實(shí)現(xiàn)這些不同組件之間的互連，并廣泛用于滿足這些應(yīng)用的實(shí)時帶寬需求。

本文主要探討涉及高速接口設(shè)計(RapidIO交換的主要功能支持這些高速接口設(shè)計)的信號完整性難題以及其他相關(guān)事項(xiàng)，優(yōu)化RapidIO交換的功能旨在實(shí)現(xiàn)高速設(shè)計中較高的信號完整性。

高速接口設(shè)計難題

信號質(zhì)量對于系統(tǒng)的各個方面均非常重要。對于串行RapidIO而言，信號質(zhì)量通過接收眼圖的大小進(jìn)行量化。接收眼圖是一個無限延續(xù)的軌跡，其中，波形會隨上一個軌跡不斷重復(fù)。眼圖開得越大，信號質(zhì)量就越好。

信號質(zhì)量可能受多方面的影響：信號通道中出現(xiàn)噪聲或其他雜亂信號、信號通道布線差、外部源的傳導(dǎo)或輻射、系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪聲。上述所有因素結(jié)合在一起會導(dǎo)致接收眼圖縮小。除電路板級問題外，信號完整性亦可能受到連接的源(傳輸端)及目的地(接收端)的影響。因此，應(yīng)在整體系統(tǒng)級的信號完整性中考慮源及目的地的IC特點(diǎn)。

電路板級設(shè)計的考慮因素

就電路板設(shè)計而言，應(yīng)考慮的常見因素包括：

1． 電路板的電源輸入、本地調(diào)節(jié)器的輸出及分配

2． 時鐘生成及分配

3． 退耦

4． PCB基礎(chǔ)材料

5． 芯片間連接

6． 電路板間連接及背板連接

7． 電路板層疊及阻抗控制

8． 機(jī)架間連接器、電纜及接頭

工作頻率高于300MHz時，適用于較低頻率電路板設(shè)計的大部分設(shè)計最佳慣例均需修改。必須考慮當(dāng)波長與電路板尺寸可比時出現(xiàn)的因素。這不僅適用于基本頻率的波長，也適用于構(gòu)成完整波形的傅立葉(頻域)分量。

FR4材料仍可成功用作電路板的基礎(chǔ)材料，但在較高頻率下，不僅需要考慮材料的介電常數(shù)，還需要考慮損耗系數(shù)。過孔的設(shè)計也變得非常重要，因?yàn)槲词褂玫墓荛L部分(在較低頻率下其影響可以忽略)的阻抗會與較厚電路板及背板的阻抗不匹配。最好完成設(shè)計后仿真，以引起對信號完整性不太理想的布線的注意，并指出串?dāng)_區(qū)域。

電路板上信號完整性方面的特定難題是由于高速處理器總線及高速內(nèi)存接口的存在、時鐘生成及時鐘噪音以及各種電路板噪音源而引起，通常包括：單端并聯(lián)總線、電源分配、阻抗匹配、接地彈跳、串音及時鐘生成。

串行RapidIO交換機(jī)

串行RapidIO互連可用于處理以上所討論的一些信號完整性難題。RapidIO是芯片間、電路板間及機(jī)箱間互連的一個成熟、開放標(biāo)準(zhǔn)，由嵌入式計算領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)廠商設(shè)計，可滿足在無線基礎(chǔ)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)、存儲、科學(xué)、軍事及工業(yè)類市場中設(shè)備對可靠性、成本效益、性能及可擴(kuò)展性的要求。

RapidIO是一個專為滿足當(dāng)前及未來嵌入式應(yīng)用需求而設(shè)計的點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)包交換互連協(xié)議。RapidIO物理層1x/4x鏈接串行規(guī)范可滿足使用電子串行連接的設(shè)備的物理層媒介要求。該規(guī)范定義了使用單向差分信號的設(shè)備之間的全雙工串行物理層接口(鏈接)。此外，對于需要更高鏈接性能的應(yīng)用，它還允許將四個串行鏈接組合在一起。它還定義了用于鏈接管理及通過鏈接傳輸數(shù)據(jù)包的協(xié)議。

RapidIO系統(tǒng)的架構(gòu)由端點(diǎn)元件及連接端點(diǎn)的交換結(jié)構(gòu)組成。設(shè)想端點(diǎn)作為郵件系統(tǒng)中的出發(fā)點(diǎn)，交換機(jī)作為截取包裹并將包裹發(fā)送至目的地的郵局。RapidIO互連架構(gòu)根據(jù)規(guī)范被劃分為層狀架構(gòu)，包括邏輯層、公共傳輸層及物理層。RapidIO協(xié)議的物理層由芯片串行器－解串器(SerDes)處理。SerDes的特性對硬件設(shè)計人員在設(shè)計電路板時所面臨的信號完整性問題有一定的影響。交換機(jī)設(shè)計的許多其他方面也將影響信號完整性。

RapidIO 交換的特性簡化電路板設(shè)計并實(shí)現(xiàn)較高的信號完整性

時鐘生成

就啟動器而言，sRIO交換機(jī)必須具有實(shí)現(xiàn)低抖動的無噪時鐘信號。低抖動信號基本上具備低相位噪音的特性。若增加輸入時鐘信號以實(shí)現(xiàn)較高頻率的輸出信號，則必須優(yōu)化芯片電路，以產(chǎn)生最小的相位噪音。Tundra的Tsi57x串行RapdIO交換機(jī)通過采用集成低噪音放大PLL的125MHz及155MHz時鐘產(chǎn)生高達(dá)3.125Ghz的輸出信號。許多產(chǎn)品采用獨(dú)立電路實(shí)現(xiàn)上述功能，因而無法像Tundra交換芯片一樣實(shí)現(xiàn)低抖動。輸出信號的清晰度也不如使用Tundra交換芯片時，使得電路板設(shè)計難以容忍上文論述的其他板級信號完整性問題。

可編程傳輸預(yù)加重及接收器均衡

在高速電路板設(shè)計中，由于信號經(jīng)過電路板由芯片傳輸至芯片或通過背板傳輸，因而需要考慮信號的衰減。簡而言之，實(shí)際信號在到達(dá)端點(diǎn)時強(qiáng)度會減小，并可能出現(xiàn)相移。通常，在所有媒介中，高頻率諧波較低頻率諧波衰減的比例更大。僅增強(qiáng)整體信號并不夠，因?yàn)樗鼤U(kuò)大噪音層，并且沒有解決相移問題。串行RapidIO交換及端點(diǎn)(像GbE及10GbE等所有其他高速設(shè)計一樣)利用技術(shù)避免該問題并保持原始信號的完整性。

若要了解傳輸預(yù)加重及接收器均衡的影響，可以回顧眼圖，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“開眼”。若未運(yùn)用這些技術(shù)，眼圖會開始“閉合”。

傳輸預(yù)加重技術(shù)可將高頻加入傳輸信號，以解決信號衰減及端點(diǎn)間相移的問題。因此，與簡單地放大所有頻率(該方法亦會增加交換芯片的整體功耗)不同，傳輸預(yù)加重可通過傳輸功能有效增強(qiáng)輸出波形，增加輸出波形的高頻量，而同時使用虛擬組件對其進(jìn)行相移，解決因傳輸媒介引致的相移。該方法對于保持信號的完整性及保持眼圖相當(dāng)有效。

盡管傳輸預(yù)加重通常在許多高速IC中應(yīng)用，以優(yōu)化整體系統(tǒng)級的信號完整性，但“傳輸端”的傳輸預(yù)加重應(yīng)與“接收端”的接收器均衡一并使用。接收器均衡運(yùn)用增強(qiáng)器傳輸功能，補(bǔ)償因電路板及背板引起的高頻傳輸損耗及相移。由于這些傳輸損耗在信號到達(dá)目的地IC(在本文中，指串行RapidIO交換)前發(fā)生，因此通常在信號發(fā)送至系統(tǒng)中的下一個傳輸部分(另一交換)或端點(diǎn)前，交換機(jī)必須采取措施補(bǔ)償這些損耗。接收器均衡的功效與傳輸預(yù)加重類似，可改善整體信噪比。注意：連接至交換芯片的各鏈接可能具有不同的特性。

同樣，各鏈接的接收器均衡需要將各有不同，且需編程方可使用。所有Tundra RapidIO Tsi57x交換均具有該特性，而就信號完整性而言，該特征將大幅簡化系統(tǒng)級的設(shè)計。

同步與異步交換設(shè)計

串行RapidIO標(biāo)準(zhǔn)支持三種不同的鏈接速率：1.25G波特、2.5G波特及3.125G波特。交換可分為兩類：同步及異步。

同步交換指所有端口必須以相同速度運(yùn)轉(zhuǎn)的交換。

異步交換指各端口可按特定鏈接的通信量需求所需的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)的交換。

在大部分應(yīng)用中，最佳解決方案是異步交換，它不僅具有能以較低的系統(tǒng)整體功耗滿足通信量需求的優(yōu)點(diǎn)，而且就信號完整性而言，它受串音的影響更小。

封裝及互連

信號完整性問題可能在很大程度上受封裝及基礎(chǔ)材料設(shè)計的影響。例如，高性能倒裝芯片及打線接合封裝可改善功率傳送并減少回程損耗。就RapidIO交換機(jī)而言，改善阻抗匹配以維持100歐姆差分阻抗及較低的變差相當(dāng)重要。倒裝芯片封裝可有助于改善上述情況。

高效球狀映射

硅片供應(yīng)商可能會選擇球狀映射簡化從芯片至球柵的信號傳輸，但其作用并非僅限于此。在理想情況下，設(shè)計球狀映射時會考慮整體系統(tǒng)級的實(shí)現(xiàn)。例如，在設(shè)計球狀映射時，須謹(jǐn)記將外圍IC鏈接至交換芯片。應(yīng)對有關(guān)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化以最大程度減少層數(shù)及所需面積，這樣可改善最終設(shè)計的信號完整性。配有相當(dāng)密集的球狀映射的IC在電路板上需要許多層，才能將信號從IC中發(fā)送出去，從而導(dǎo)致高成本的系統(tǒng)級設(shè)計。另一個問題是信號通道間的串音，該問題在上文討論同步及異步RapidIO交換的區(qū)別時已提及。與信號通道間串?dāng)_及高效球狀映射緊密相連的一個問題是電源與接地引腳之間的間隔。若將太多串行RapidIO端口插入小型封裝，可能會由于串?dāng)_而導(dǎo)致信號完整性問題，從而導(dǎo)致在信號從交換機(jī)傳輸?shù)蕉它c(diǎn)時出現(xiàn)“閉眼”。

設(shè)計慣例技巧

現(xiàn)在，我們回顧一下信號完整性的另一方面，即電路板級的設(shè)計問題。設(shè)計人員可以采取許多設(shè)計指引來控制噪聲產(chǎn)生的影響。通常，好的設(shè)計慣例可以幫助電路板設(shè)計人員控制電路板級通信產(chǎn)生的信號噪音，包括限制外部噪音源以及解決設(shè)備本身的噪音。

首先，所有設(shè)計均應(yīng)采用正確的走線寬度、間隔及拓?fù)?，以確保每個走線的阻抗與其傳輸器件匹配。阻抗不匹配可能會影響前緣與后緣的質(zhì)量、穩(wěn)定延遲時間、串?dāng)_以及EMI。

必須確保同步信號組之間有足夠的通道間隔，必須限制通道長度并將差分對信號之間的偏移降至最低。布線時應(yīng)最大限度地減少布線層轉(zhuǎn)換次數(shù)，從而限制寄生效應(yīng)。不必要的電感及雜散電容中的過孔成本非常高，應(yīng)盡量減少。除BGA襯墊外，通常每個通道最多允許有兩個過孔。

對信號完整性徹底驗(yàn)證至關(guān)緊要。利用估計寄生效應(yīng)，設(shè)計前分析可提供了解設(shè)計性能所需的數(shù)據(jù)，但準(zhǔn)確的后設(shè)計寄生效應(yīng)可提供發(fā)現(xiàn)潛在信號完整性問題所需的詳情。采用該方法，可創(chuàng)建電路網(wǎng)表以進(jìn)行模擬并記錄結(jié)果。

若盡可能縮短通道及信號通道，通過接地層或彼此物理隔離的方式進(jìn)行屏蔽，并注意避免阻抗不匹配或任何導(dǎo)致共振的配置，即可獲得良好的信號完整性。

選擇串行RapidIO交換芯片，實(shí)現(xiàn)較高的信號完整性

設(shè)計人員如何選擇串行RapidIO交換？正如良好的設(shè)計慣例可以幫助電路板設(shè)計人員控制電路板級通信產(chǎn)生的信號噪音一樣，硬件設(shè)計人員需積極考慮時鐘生成的特性、傳輸預(yù)加重及接收器均衡、優(yōu)化封裝技術(shù)、有效的球狀映射及異步設(shè)計的串行RapidIO交換機(jī)，方可確保系統(tǒng)級設(shè)計具有較高的信號完整性。顯然，在選擇串行接口時，設(shè)計人員選擇的芯片不僅要具有合適的功能，還必須是專為解決高速信號難題而設(shè)計的交換芯片。

目前，Tundra Semiconductor Corporation可提供具有以上特性的三代串行RapidIO交換產(chǎn)品。Tsi 57x產(chǎn)品線包括Tsi574、Tsi576及Tsi578，各款的端口數(shù)各不相同，介于4至16個端口之間，運(yùn)轉(zhuǎn)速度介于1.25G至3.125G之間。各端口支持x1及x4通道可選，每端口的功耗為120至200mW。Tsi57x產(chǎn)品線具有本文所述的所有信號完整性的特征，包括傳輸預(yù)加重及接收器均衡。該產(chǎn)品較前款Tsi56x產(chǎn)品線增加了一些新功能，包括多播功能、矩陣性能監(jiān)控。另外，許多高級通信管理功能已經(jīng)優(yōu)化，可滿足無線基站、無線網(wǎng)絡(luò)控制器、有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)及軍用航空電子系統(tǒng)等應(yīng)用的高性能要求。

本文小結(jié)

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，若熟知基本設(shè)計規(guī)則，在系統(tǒng)中應(yīng)用高頻率互連(例如串行RapidIO)時可避免任何與信號完整性差相關(guān)的傳統(tǒng)問題，例如噪音、瞬間效應(yīng)、串?dāng)_或抖動等等。