信號(hào)在PCB走線中傳輸時(shí)延分析

　信號(hào)在媒質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度受信號(hào)載體以及周圍媒質(zhì)屬性決定。在PCB（印刷電路板）中信號(hào)的傳輸速度就與板材DK（介電常數(shù)），信號(hào)模式，信號(hào)線與信號(hào)線間耦合以及繞線方式等有關(guān)。隨著PCB走線信號(hào)速率越來(lái)越高，對(duì)時(shí)序要求較高的源同步信號(hào)的時(shí)序裕量越來(lái)越少，因此在PCB設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確知道PCB走線對(duì)信號(hào)時(shí)延的影響變的尤為重要。本文基于仿真分析DK，串?dāng)_，過(guò)孔，蛇形繞線等因素對(duì)信號(hào)時(shí)延的影響。
　　1.引言
　　信號(hào)要能正常工作都必須滿足一定的時(shí)序要求，隨著信號(hào)速率升高，數(shù)字信號(hào)的發(fā)展經(jīng)歷了從共同步時(shí)鐘到源同步時(shí)鐘以及串行（serdes）信號(hào)。在當(dāng)今的消費(fèi)類電子，通信服務(wù)器等行業(yè)，源同步和串行信號(hào)占據(jù)了很大的比重。串行信號(hào)比如常見(jiàn)PCIE，SAS，SATA，QPI，SFP+，XUAI，10GBASE-KR等信號(hào)，源同步信號(hào)比如DDR信號(hào)。
　　串行信號(hào)在發(fā)送端將數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘（CLK）信號(hào)通過(guò)編碼方式一起發(fā)送，在接收端通過(guò)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）得到數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。由于時(shí)鐘數(shù)據(jù)在同一個(gè)通道傳播，串行信號(hào)對(duì)和對(duì)之間在PCB上傳輸延時(shí)要求較低，主要依靠鎖相環(huán)（PLL）和芯片的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)功能。
　　源同步時(shí)鐘主要是DDR信號(hào)，在DDR設(shè)計(jì)中，DQ（數(shù)據(jù)）信號(hào)參考DQS（數(shù)據(jù)選通）信號(hào)，CMD（命令）信號(hào)和CTL（控制）信號(hào)參考CLK（時(shí)鐘）信號(hào)，由于DQ的速率是CMD DDR2/ DDR3.DDR4預(yù)計(jì)在2015年將成為消費(fèi)類電子的主要設(shè)計(jì)，隨著DDR信號(hào)速率的不斷提高，在DDR4設(shè)計(jì)中特別是DQ和DQS之間傳輸時(shí)延對(duì)設(shè)計(jì)者提出更高的挑戰(zhàn)。
　　在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候?yàn)榱藭r(shí)序的要求需要對(duì)源同步信號(hào)做一些等長(zhǎng)，一些設(shè)計(jì)工程師忽略了這個(gè)信號(hào)等長(zhǎng)其實(shí)是一個(gè)時(shí)延等長(zhǎng)，或者說(shuō)是一個(gè)‘時(shí)間等長(zhǎng)’。
　　2.傳輸時(shí)延簡(jiǎn)介
　　Time delay又叫時(shí)延（TD），通常是指電磁信號(hào)或者光信號(hào)通過(guò)整個(gè)傳輸介質(zhì)所用的時(shí)間。在傳輸線上的時(shí)延就是指信號(hào)通過(guò)整個(gè)傳輸線所用的時(shí)間。
　　Propagation delay又叫傳播延遲（PD），通常是指電磁信號(hào)或者光信號(hào)在單位長(zhǎng)度的傳輸介質(zhì)中傳輸?shù)臅r(shí)間延遲，與“傳播速度”成反比例（倒數(shù)）關(guān)系，單位為“Ps/inch”或“s/m”。
　　從定義中可以看出時(shí)延=傳播延遲*傳輸長(zhǎng)度（L）
　　其中v為傳播速度，單位為inch/ps或m/s c為真空中的光速（3X108 m/s）
　　εr為介電常數(shù)PD為傳播延遲，單位為Ps/inch或s/m TD為信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的傳輸線所產(chǎn)生的時(shí)延L為傳輸線長(zhǎng)度，單位為inch或m
　　從上面公式可以知道，傳播延遲主要取決于介質(zhì)材料的介電常數(shù)，而傳播時(shí)延取決于介質(zhì)材料的介電常數(shù)、傳輸線長(zhǎng)度和傳輸線橫截面的幾何結(jié)構(gòu)（幾何結(jié)構(gòu)決定電場(chǎng)分布，電場(chǎng)分布決定有效介電常數(shù)）。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，不管是延遲還是時(shí)延都取決于導(dǎo)體周圍的有效介電常數(shù)。在微帶線中，有效介電常數(shù)受橫截面的幾何結(jié)構(gòu)影響比較大；而串?dāng)_，其有效介電常數(shù)受奇偶模式的影響較大；不同繞線方式有效介電常數(shù)受其繞線方式的影響。
　　3.仿真分析過(guò)程
　　3.1微帶線和帶狀線傳輸時(shí)延
　　PCB中微帶線是指走線只有一個(gè)參考面，如下圖1；帶狀線是指走線有2個(gè)參考面，如下圖2。
　　
　　帶狀線由于電磁場(chǎng)都被束縛在兩個(gè)參考面之間的板材中，所以走線的有效介電常數(shù)為板材的介電常數(shù)。
　　微帶線會(huì)導(dǎo)致部分電磁場(chǎng)暴露在空氣中，空氣的相對(duì)介電常數(shù)約為1.0006，板材如常規(guī)FR4的介電常數(shù)為4.2，那么微帶線的有效介電常數(shù)在1和4.2之間，可以利用下面的公式計(jì)算微帶線的有效介電常數(shù)「Collins，1992」：
　　εe = （εr +1）/2 + （εr -1）/2（1+12H/W）-1/2 + F -0.217（εr -1）T/√WH 3.1 F = 0.02 （εr -1）（1-W/H）2 （W/H 1） 3.2
　　其中，εe為有效介電常數(shù)，εr為電路板材料的介電常數(shù)，H為導(dǎo)線高于地平面的高度，W為導(dǎo)線寬度，T為導(dǎo)線厚度。