工程設(shè)計(jì)中常遇到關(guān)于信號(hào)完整性的5類(lèi)典型問(wèn)題

今天咱來(lái)扒一扒工程設(shè)計(jì)中關(guān)于信號(hào)完整性的那點(diǎn)事，Bala一下工程設(shè)計(jì)中常遇到的5類(lèi)典型問(wèn)題。沒(méi)有因?yàn)檫@些糾結(jié)過(guò)的，應(yīng)該還沒(méi)開(kāi)始做SI設(shè)計(jì)。相信在一線摸爬滾打的工程獅看了會(huì)有共鳴！

第一類(lèi)問(wèn)題

需要仿真但僅靠單一的仿真手段還不行

有些問(wèn)題，第一次設(shè)計(jì)時(shí)，如果不依靠仿真，沒(méi)什么好辦法知道到底行不行或者有沒(méi)有危險(xiǎn)。舉一個(gè)常見(jiàn)的栗子：一拖多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是一個(gè)出現(xiàn)概率很高的設(shè)計(jì)場(chǎng)景。假如有一個(gè)主控板，通過(guò)背板（有些公司叫底板）拖6塊板卡，如果是第一次設(shè)計(jì)，那怎么評(píng)估這個(gè)方案行不行！靠設(shè)計(jì)規(guī)則？靠經(jīng)驗(yàn)法則？靠猜？那純粹是撞大運(yùn)。

當(dāng)然有些人會(huì)說(shuō)了，打一板試試就知道了。當(dāng)然可以，但是像這種系統(tǒng)級(jí)的方案，打板一次費(fèi)用和周期都幾乎不可接受（當(dāng)然土豪除外）。要提前評(píng)估方案的可行性，理論分析是少不了的，但這個(gè)問(wèn)題僅靠理論分析搞不定。

咱先從理論上看看這個(gè)拓?fù)渲袝?huì)發(fā)生什么。芯片的input buffer對(duì)信號(hào)來(lái)說(shuō)通常表現(xiàn)出很高的阻抗，信號(hào)傳輸?shù)浇邮招酒瑫?huì)發(fā)生反射。下圖中6個(gè)接收端都會(huì)有反射。反射回來(lái)的信號(hào)遇到走線分叉會(huì)分別進(jìn)入兩條岔路，比如從3反射回來(lái)的信號(hào)沿主干線向左右兩個(gè)方向傳輸，傳到1、2、4、5、6等接收器時(shí)再次發(fā)生反射。也就是3反射的信號(hào)會(huì)干擾其他芯片的接收信號(hào)。

同樣的，其他任何一個(gè)接收器的反射信號(hào)都會(huì)干擾別的接收器。反射過(guò)程會(huì)發(fā)生很多次，延時(shí)疊加，反復(fù)的反射震蕩，這是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，理論上簡(jiǎn)單，但最終會(huì)疊加出來(lái)一個(gè)神馬東西？想不出來(lái)，得靠軟件。

如果不做任何處理，波形長(zhǎng)啥樣？簡(jiǎn)單的仿真就能發(fā)現(xiàn)明顯的風(fēng)險(xiǎn)，見(jiàn)下圖，高低電平?jīng)_得太厲害了，有隱患。

通過(guò)簡(jiǎn)單的處理，消弱反射信號(hào)在各個(gè)接收器之間反復(fù)反射震蕩，我們可以把波形搞成這個(gè)樣子。這下放心多了。類(lèi)似這種需要仿真的問(wèn)題很多，通過(guò)仿真規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)效果很好的。

第2類(lèi)問(wèn)題

無(wú)法仿真或很難仿真的問(wèn)題

仿真是信號(hào)完整性設(shè)計(jì)很有效的手段。仿真軟件很神奇，迷倒了一大批工程師。如果這個(gè)東西真這么簡(jiǎn)單那就太好了，click、click、click...，OK，完活，多爽！哪有如此美妙的世界！ 過(guò)于依賴(lài)仿真，干活時(shí)候會(huì)經(jīng)常遇到糾結(jié)痛苦的事。尤其把自己定位成仿真工程獅的，面對(duì)問(wèn)題，有時(shí)候會(huì)無(wú)處下手，不知道該仿什么。真要遇到這種事，就該好好考慮一下了，有些事不是仿真能搞定的，也許你遇到的是這第2類(lèi)問(wèn)題。 比如下面這個(gè)栗子，很酸爽，但絕對(duì)沒(méi)有糖炒的好吃。 有些單板上會(huì)有個(gè)別時(shí)鐘信號(hào)對(duì)抖動(dòng)要求非常高，如果這個(gè)時(shí)鐘抖動(dòng)大了，誤碼測(cè)試就不過(guò)關(guān)。高速串行接口對(duì)時(shí)鐘都是有要求的，我們看下典型接口信號(hào)抖動(dòng)構(gòu)成，時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)對(duì)傳輸信號(hào)的抖動(dòng)貢獻(xiàn)是不能忽略的。 那么問(wèn)題來(lái)了，硬件人員把這個(gè)問(wèn)題丟給你，怎么解決無(wú)所謂，硬件要的就是結(jié)果，搞定就行。那你怎么搞定這個(gè)事？靠仿真么？怎么仿？仿什么？

開(kāi)工之前，分析一下那些因素會(huì)影響時(shí)鐘的抖動(dòng)，先列張主要因素的清單： 1、反射（萬(wàn)惡的反射，哪都有它） 2、串?dāng)_（萬(wàn)惡的串?dāng)_，哪都有它） 3、模態(tài)轉(zhuǎn)換（有影響要注意） 4、參考平面（隱藏的雷區(qū)） 5、差分對(duì)設(shè)計(jì)（被很多人忽略的） 6、時(shí)鐘芯片的電源（重頭戲） 7、層疊結(jié)構(gòu)安排走線層安排（一念之差的變數(shù)） 8、提供時(shí)鐘的晶振選型（硬件選型會(huì)慎重的，通常不用SI人員處理） 9、晶振電源的處理（不可忽略） 其他Layout相關(guān)的細(xì)節(jié)就不說(shuō)了，單單上面提到的這些就夠仿真工程獅喝一壺的（整點(diǎn)二鍋頭還是伏特加？）。 好吧，仿真工程獅，仿真工程獅，咱開(kāi)仿。打開(kāi)神奇的軟件，然后呢，沒(méi)然后了........。往軟件里面塞什么內(nèi)容讓它跑仿真？ 那個(gè)什么，電源對(duì)抖動(dòng)的影響，仿真腫么破？那個(gè)參考平面的影響，仿真腫么破？從仿真的角度來(lái)做頭疼是必然的。但是如果你換一個(gè)角色，以信號(hào)完整性設(shè)計(jì)工程師的角度去看會(huì)豁然開(kāi)朗。該仿真的仿真，仿不了的設(shè)計(jì)上控制一下不就可以搞（tou）定（lan）了。反正最終要的就一個(gè)結(jié)果，抖動(dòng)降下來(lái)就OK。 黑貓白貓抓住耗子是好貓。好產(chǎn)品是設(shè)計(jì)出來(lái)的，不是仿出來(lái)的。不糾結(jié)，做好貓！

第3類(lèi)問(wèn)題

需要仿真但僅靠單一的仿真手段還不行

舉個(gè)典型栗子......。咳咳，又是栗子，夠了，被拍飛........。 好吧，鼻青臉腫的咱回來(lái)接著說(shuō)。電源的磁珠濾波（又是萬(wàn)惡的磁珠濾波），話說(shuō)電源上用磁珠濾波那是比比皆是，話說(shuō)這個(gè)磁珠濾波吃掉了多少硬件人員的加班時(shí)間，調(diào)試調(diào)試再調(diào)試，調(diào)試到崩潰。咋能偷點(diǎn)懶呢？ 拿來(lái)神奇的仿真軟件，click、click、click... ... ...OK。三下五除二整出了下面這個(gè)漂亮的頻響曲線，藍(lán)色的那條是設(shè)計(jì)好的。怯怯地說(shuō)一句，偷懶了，直接拷貝的老圖，沒(méi)重新做圖，直接被拍飛........。

完工了？真的完工了嗎？呃，別高興太早，一大群邪惡的Bug正在排隊(duì)趕來(lái)準(zhǔn)備挖坑呢。象下圖這樣，磁珠和電容后面拉出來(lái)的那條小尾巴，你把它放哪里？拉多長(zhǎng)？ 拉線太長(zhǎng)了肯定不太好，地球人都知道。試想一下，如果這個(gè)小尾巴剛好通過(guò)電路板入口電源銅皮正上方會(huì)怎樣？ 所以相鄰的平面層要考慮，如果你把它放在表層，那它下面緊鄰的平面層最好是GND。如果安排在內(nèi)層呢？?jī)?nèi)層電源平面層往往被分割的很亂，如果這種磁珠濾波器用的比較多，那可能放不下。平面層放不下就得放信號(hào)層，問(wèn)題又來(lái)了，夾在上下兩個(gè)平面之間，而且旁邊會(huì)有其他信號(hào)線。這都是坑，要小心處理。

這個(gè)問(wèn)題仿真能解決磁珠和電容的選型問(wèn)題，規(guī)避那些坑就不能靠仿真了，只能Layout時(shí)，認(rèn)真進(jìn)行設(shè)計(jì)控制。

第4類(lèi)問(wèn)題

需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的細(xì)節(jié)問(wèn)題

有句老話怎么說(shuō)來(lái)著？魔鬼隱藏在細(xì)節(jié)中！對(duì)，是魔鬼，絕對(duì)是魔鬼！不少魔鬼會(huì)讓你不得不激情高昂的去加班去返工。 PCB是一個(gè)立體結(jié)構(gòu)，不要總用平面思維去看待PCB。不羅嗦，上圖，自己看。俺課件中摘出來(lái)的圖片，話說(shuō)每次講課這張圖我都會(huì)講好長(zhǎng)時(shí)間。

第5類(lèi)問(wèn)題

需要Layout前整體規(guī)劃的問(wèn)題

不羅羅索索的說(shuō)教了，整的跟個(gè)唐僧似的招人煩，和老于一起重溫一下很久以前經(jīng)歷的一件事。歷史上的某天，某君打來(lái)電話，給老于出了道難題，醬紫的......。 某君：于博士，我有塊板子要投板，有點(diǎn)不放心，想讓你看看行不行。 老于：啥情況，說(shuō)說(shuō)！ 某君：板子上有10G差分接口，有DDR3。 老于：10G是單lane的還是接口的......。 某君：?jiǎn)蝜ane。 老于：好，知道了，你繼續(xù)。 某君：我把10G差分對(duì)走在了靠近top的幾個(gè)內(nèi)層，DDR3信號(hào)線走的是靠近bottom的內(nèi)層。 老于：咋不把10G差分對(duì)放在靠bottom的內(nèi)層？有風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)一下走線層吧！ 某君：差分對(duì)線寬線距定了，要調(diào)到下面幾層，阻抗沒(méi)法控制100歐...... 老于：你DDR控制到40幾歐？ 某君：是。 老于：和板廠溝通，重新定一個(gè)層疊就行了唄，這不費(fèi)多少精力。 某君：層疊都定好了，不能改了。 老于：打下背鉆吧。 某君：BGA下的孔太小，怕不安全。 老于：... ... 好糾結(jié)的困局，這點(diǎn)事如果畫(huà)板子之前整體做個(gè)規(guī)劃，哪些信號(hào)走哪個(gè)信號(hào)層，哪個(gè)平面層放GND，哪個(gè)平面層放電源，也就沒(méi)這么糾結(jié)了。 本來(lái)沒(méi)坑，自己給自己挖了一個(gè)。 類(lèi)似問(wèn)題還有很多，別小看這個(gè)，整體規(guī)劃可以規(guī)避很多不必要的麻煩。

在此特別感謝本次文章原創(chuàng)作者于博士，于博士是著名實(shí)戰(zhàn)型信號(hào)完整性設(shè)計(jì)專(zhuān)家，同時(shí)是《信號(hào)完整性揭秘--于博士SI設(shè)計(jì)手記》一書(shū)作者。