PCB信號仿真之為什么DDR走線要同組同層？

作者：一博科技高速先生成員 劉春

隨著信號速率的不斷提高，對信號時序的要求也越來越嚴格。在PCB設計中，我們等長的最終目的都是為了等時，以滿足信號的時序要求。因此，需要我們對信號在傳輸線上的時延有一定的了解，下面小編將會通過理論分析和利用SIGRITY軟件進行仿真驗證跟大家一起深入的了解信號在傳輸線上的時延情況。

時延

這里指的是傳輸線上的時延，即信號在通過整個傳輸線所用的時間。

信號的傳輸速度

從時延的描述上，不難發(fā)現必然還會存在兩個不可或缺的量，哈哈，不用說相信大家已經知道了，那就是信號的傳輸速度和傳輸線的長度。長度這里自不必說，這里我們需要重點關注的是信號的傳輸速度。當信號在傳輸線上傳輸時，其速度就取決于信號傳輸線在其周圍介電特性環(huán)境中電場和磁場建立的速度。可用如下關系式描述：

而真空中光速表示為：

因為幾乎所有非鐵磁性材料相對磁導率都為1，所以介質中信號的速度可簡化為：

到這里，想必大家都發(fā)現了，我們常常聽到的信號在傳輸線中的傳輸速度可以用6mil/ps來估算的原因了吧。因為大多數板材聚合物的介電常數都在4左右，通過上述簡化后的關系式可輕松得出信號在傳輸線上的大致傳輸速度，約6mil/ps。

從上面的關系式，我們還可以知道板材的介電常數是決定信號傳輸速度的主要因素，介質的介電常數越大，信號的傳輸速度越慢，反之則越快。在知道了信號的傳輸速度之后，那我們傳輸線的時延自然也就知道了哈。時延計算可用如下關系式表示：

其中，TD表示信號在傳輸線上的時延，Len表示傳輸線的長度，v表示信號的傳輸速度。

通過上面的信息，相信大家對信號的傳輸都有了一定的了解了，下面我們利用Sigrity當中的Sigrity Topology Explorer套件來進行仿真驗證，跟大家一起進一步加深對傳輸線時延的了解。

微帶線與帶狀線

創(chuàng)建的微帶線與帶狀線簡易傳輸鏈路模型如下圖所示：

對微帶線與帶狀線仿真參數進行設置，這里為了便于對比分析，將介質DK設為4，傳輸線線長設為1inch。

微帶線參數設置：

帶狀線參數設置：

在設置完參數信息后，還可以查看生成的傳輸線信息，相信細心的朋友已經發(fā)現了，在生成的傳輸線信息中就包含了傳輸線單位長度的時延信息，那這里我們是不是可以驗證一下軟件的時延是不是與我們前面的公式計算相吻合呢?為了計算方便，這里我們以帶狀線為例，由上圖可知帶狀線的時延為6671.28ps/m，換算后約169.45 ps/inch，公式計算結果169.49ps/inch，結果非常接近。完成模型及參數設置后得到的仿真結果如下圖所示：

在上圖微帶線和帶狀線的仿真結果對比可以發(fā)現，兩者到達接收器的時間相差了約12.5ps，可知微帶線傳輸速度比帶狀線的傳輸速度要快，那是什么原因導致的呢?相信大家已經有了答案了。

根據前面?zhèn)鬏斔俣裙娇芍殡姵凳菦Q定信號傳輸速度的主要因素，介質的介電常數越大，信號的傳輸速度越慢，反之則越快。微帶線的一面有參考層一面沒有參考層，在沒有參考一面是綠油和空氣，其中空氣的介電常數接近似為1，導致微帶線的周圍環(huán)境整體的有效介電常數低于4，使得微帶線的傳輸速度比帶狀線的傳輸速度更快。

前面已經對比過軟件得出的時延與我們公式計算的時延結果相吻合，那這里也可以從生成傳輸線單位長度的時延信息去與我們的仿真結果做一個驗證，看看兩者的結果是否同樣吻合。

從上面生成傳輸線單位長度的時延信息中我們知道了微帶線的單位長度時延是6168.09ps/m，帶狀線的單位長度時延是6671.28ps/m，換算后微帶線的單位長度時延是156.67 ps/inch，帶狀線的單位長度時延是169.45ps/inch，兩者相差12.78ps，與仿真結果的12.5ps相吻合。

上述，我們通過理論和仿真的驗證分析，知道了在線長相等的情況下微帶線和帶狀線會存在時延差異以及導致差異的原因，那在布線設計中，對于一些速率較高，時序要求嚴格的信號，如DDR的數據信號，建議采用同組同層進行布線的原因之一正是如此。

審核編輯：湯梓紅