非常好的书-PCB信号完整性设计

针对DDR2-800和DDR3的PCB信号完整性设计摘要本文章主要涉及到对DDR2和DDR3在设计印制线路板（PCB）时，考虑信号完整性和电源完整性的设计事项，这些是具有相当大的挑战性的。文章重点是讨论在尽可能少的PCB层数，特别是4层板的情况下的相关技术，其中一些设计方法在以前已经成熟的使用过。1.介绍目前，比较普遍使用中的DDR2的速度已经高达800Mbps，甚至更高的速度，如1066Mbps，而DDR3的速度已经高达1600Mbps。对于如此高的速度，从PCB的设计角度来讲，要做到严格的时序匹配，以满足波形的完整性，这里有很多的因素需要考虑，所有的这些因素都是会互相影响的，但是，它们之间还是存在一些个性的，它们可以被分类为PCB叠层、阻抗、互联拓扑、时延匹配、串扰、电源完整性和时序，目前，有很多EDA工具可以对它们进行很好的计算和仿真，其中CadenceALLEGROSI-230和Ansoft’sHFSS使用的比较多。表1:DDR2和DDR3要求比较表1显示了DDR2和DDR3所具有的共有技术要求和专有的技术要求。2.PCB的叠层（stackup）和阻抗对于一块受PCB层数约束的基板（如4层板）来说，其所有的信号线只能走在TOP和BOTTOM层，中间的两层，其中一层为GND平面层，而另一层为VDD平面层，Vtt和Vref在VDD平面层布线。而当使用6层来走线时，设计一种专用拓扑结构变得更加容易，同时由于Power层和GND层的间距变小了，从而提高了PI。互联通道的另一参数阻抗，在DDR2的设计时必须是恒定连续的，单端走线的阻抗匹配电阻50Ohms必须被用到所有的单端信号上，且做到阻抗匹配，而对于差分信号，100Ohms的终端阻抗匹配电阻必须被用到所有的差分信号终端，比如CLOCK和DQS信号。另外，所有的匹配电阻必须上拉到VTT，且保持50Ohms，ODT的设置也必须保持在50Ohms。在DDR3的设计时，单端信号的终端匹配电阻在40和60Ohms之间可选择的被设计到ADDR/CMD/CNTRL信号线上，这已经被证明有很多的优点。而且，上拉到VTT的终端匹配电阻根据SI仿真的结果的走线阻抗，电阻值可能需要做出不同的选择，通常其电阻值在30-70Ohms之间。而差分信号的阻抗匹配电阻始终在100Ohms。图1:四层和六层PCB的叠层方式3.互联通路拓扑对于DDR2和DDR3，其中信号DQ、DM和DQS都是点对点的互联方式，所以不需要任何的拓扑结构，然而列外的是，在multi-rankDIMMs（DualInLineMemoryModules）的设计中并不是这样的。在点对点的方式时，可以很容易的通过ODT的阻抗设置来做到阻抗匹配，从而实现其波形完整性。而对于ADDR/CMD/CNTRL和一些时钟信号，它们都是需要多点互联的，所以需要选择一个合适的拓扑结构，图2列出了一些相关的拓扑结构，其中Fly-By拓扑结构是一种特殊的菊花链，它不需要很长的连线，甚至有时不需要短线（Stub）。对于DDR3，这些所有的拓扑结构都是适用的，然而前提条件是走线要尽可能的短。Fly-By拓扑结构在处理噪声方面，具有很好的波形完整性，然而在一个4层板上很难实现，需要6层板以上，而菊花链式拓扑结构在一个4层板上是容易实现的。另外，树形拓扑结构要求AB的长度和AC的长度非常接近（如图2）。考虑到波形的完整性，以及尽可能的提高分支的走线长度，同事又要满足板层的约束要求，在基于4层板的DDR3设计中，最合理的拓扑结构就是带有最少短线（Stub）的菊花链式拓扑结构。对于DDR2-800，这所有的拓扑结构都适用，只是有少许的差别。然而，菊花链式拓扑结构被证明在SI方面是具有优势的。对于超过两片的SDRAM，通常，是根据器件的摆放方式不同而选择相应的拓扑结构。图3显示了不同摆放方式而特殊设计的拓扑结构，在这些拓扑结构中，只有A和D是最适合4层板的PCB设计。然而，对于DDR2-800，所列的这些拓扑结构都能满足其波形的完整性，而在DDR3的设计中，特别是在1600Mbps时，则只有D是满足设计的。图2:带有2片SDRAM的ADDR/CMD/CNTRL拓扑结构图3:带有4片SDRAM的ADDR/CMD/CNTRL拓扑结构4.时延的匹配在做到时延的匹配时，往往会在布线时采用trombone方式走线，另外，在布线时难免会有切换板层的时候，此时就会添加一些过孔。不幸的是，但所有这些弯曲的走线和带过孔的走线，将它们拉直变为等长度理想走线时，此时它们的时延是不等的，如图4所示。显然，上面讲到的trombone方式在时延方面同直走线的不对等是很好理解的，而带过孔的走线就更加明显了。在中心线长度对等的情况下，trombone走线的时延比直走线的实际延时是要来的小的，而对于带有过孔的走线，时延是要来的大的。这种时延的产生，这里有两种方法去解决它。一种方法是，只需要在EDA工具里进行精确的时延匹配计算，然后控制走线的长度就可以了。而另一种方法是在可接受的范围内，减少不匹配度。图4:Trombone和Vias的实例图5:针对trombone的仿真电路和仿真波形对于trombone线，时延的不对等可以通过增大L3的长度而降低，因为并行线间会存在耦合，其详细的结果，可以通过SigXP仿真清楚的看出，如图5，L3（图中的S）长度的不同，其结果会有不同的时延，尽可能的加长S的长度，则可以更好的降低时延的不对等。对于微带线来说，L3大于7倍的走线到地的距离是必须的。trombone线的时延是受到其并行走线之间的耦合而影响，一种在不需要提高其间距的情况下，并且能降低耦合的程度的方法是采用sawtooth线。显然，sawtooth线比trombone线具有更好的效果，但是，它需要更多的空间。由于各种可能造成时延不同的原因，所以，在实际的设计时，要借助于CAD工具进行严格的计算，从而控制走线的时延匹配。考虑到在图2中6层板上的过孔的因素，当一个地过孔靠近信号过孔放置时，则在时延方面的影响是必须要考虑的。先举个例子，在TOP层的微带线长度是150mils，BOTTOM层的微带线也是150mils，线宽都为4mils，且过孔的参数为：barreldiameter=8mils,paddiameter=18mils,anti-paddiameter=26mils。这里有三种方案进行对比考虑，一种是，通过过孔互联的这个过孔附近没有任何地过孔，那么，其返回路径只能通过离此过孔250mils的PCB边缘来提供；第二种是，一根长达362mils的微带线；第三种是，在一个信号线的四周有四个地过孔环绕着。图6显示了带有60Ohm的常规线的S-Parameters，从图中可以看出，带有四个地过孔环绕的信号过孔的S-Parameters就像一根连续的微带线，从而提高了S21特性。由此可知，在信号过孔附近缺少返回路径的情况下，则此信号过孔会大大增高其阻抗。当今的高速系统里，在时延方面显得尤为重要。现做一个测试电路，类似于图5，驱动源是一个线性的60Ohms阻抗输出的梯形信号，信号的上升沿和下降沿均为100ps，幅值为1V。此信号源按照图6的三种方式，且其端接一60Ohms的负载，其激励为一800MHz的周期信号。在0.5V这一点，我们观察从信号源到接收端之间的时间延迟，显示出来它们之间的时延差异。其结果如图7所示，在图中只显示了信号的上升沿，从这图中可以很明显的看出，带有四个地过孔环绕的过孔时延同直线相比只有3ps，而在没有地过孔环绕的情况下，其时延是8ps。由此可知，在信号过孔的周围增加地过孔的密度是有帮助的。然而，在4层板的PCB里，这个就显得不是完全的可行性，由于其信号线是靠近电源平面的，这就使得信号的返回路径是由它们之间的耦合程度来决定的。所以，在4层的PCB设计时，为符合电源完整性（powerintegrity）要求，对其耦合程度的控制是相当重要的。对于DDR2和DDR3，时钟信号是以差分的形式传输的，而在DDR2里，DQS信号是以单端或差分方式通讯取决于其工作的速率，当以高度速率工作时则采用差分的方式。显然，在同样的长度下，差分线的切换时延是小于单端线的。根据时序仿真的结果，时钟信号和DQS也许需要比相应的ADDR/CMD/CNTRL和DATA线长一点。另外，必须确保时钟线和DQS布在其相关的ADDR/CMD/CNTRL和DQ线的当中。由于DQ和DM在很高的速度下传输，所以，需要在每一个字节里，它们要有严格的长度匹配，而且不能有过孔。差分信号对阻抗不连续的敏感度比较低，所以换层走线是没多大问题的，在布线时优先考虑布时钟线和DQS。图6:带有过孔互联通道的s-parameters图7:图6三种案例的发送和接收波形5.串扰在设计微带线时，串扰是产生时延的一个相当重要的因素。通常，可以通过加大并行微带线之间的间距来降低串扰的相互影响，然而，在合理利用走线空间上这是一个很大的弊端，所以，应该控制在一个合理的范围里面。典型的一个规则是，并行走线的间距大于走线到地平面的距离的两倍。另外，地过孔也起到一个相当重要的作用，图8显示了有地过孔和没地过孔的耦合程度，在有多个地过孔的情况下，其耦合程度降低了7dB。考虑到互联通路的成本预算，对于两边进行适当的仿真是必须的，当在所有的网线上加一个周期性的激励，将会由串扰产生的信号抖动，通过仿真，可以在时域观察信号的抖动，从而通过合理的设计，综合考虑空间和信号完整性，选择最优的走线间距。图8:相互耦合走线的s-parameters6.电源完整性这里的电源完整性指的是在最大的信号切换情况下，其电源的容差性。当未符合此容差要求时，将会导致很多的问题，比如加大时钟抖动、数据抖动和串扰。这里，可以很好的理解与去偶相关的理论，现在从”目标阻抗”的公式定义开始讨论。Ztarget=Voltagetolerance/TransientCurrent(1)在这里，关键是要去理解在最差的切换情况下瞬间电流（TransientCurrent）的影响，另一个重要因素是切换的频率。在所有的频率范围里，去耦网络必须确保它的阻抗等于或小于目标阻抗（Ztarget）。在一块PCB上，由电源和地层所构成的电容，以及所有的去耦电容，必须能够确保在100KHz左右到100-200MH左右之间的去耦作用。频率在100KHz以下，在电压调节模块里的大电容可以很好的进行去耦。而频率在200MHz以上的，则应该由片上电容或专用的封装好的电容进行去耦。实际的电源完整性是相当复杂的，其中要考虑到IC的封装、仿真信号的切换频率和PCB耗电网络。对于PCB设计来说，目标阻抗的去耦设计是相对来说比较简单的，也是比较实际的解决方案。在DDR的设计上有三类电源，它们是VDD、VTT和Vref。VDD的容差要求是5%，而其瞬间电流从Idd2到Idd7大小不同，详细在JEDEC里有叙述。通过电源层的平面电容和专用的一定数量的去耦电容，可以做到电源完整性，其中去耦电容从10nF到10uF大小不同，共有10个左右。另外，表贴电容最合适，它具有更小的焊接阻抗。Vref要求更加严格的容差性，但是它承载着比较小的电流。显然，它只需要很窄的走线，且通过一两个去耦电容就可以达到目标阻抗的要求。由于Vref相当重要，所以去耦电容的摆放尽量靠近器件的管脚。然而，对VTT的布线是具有相当大的挑战性，因为它不只要有严格的容差性，而且还有很大的瞬间电流，不过此电流的大小可以很容易的就计算出来。最终，可以通过增加去耦电容来实现它的目标阻抗匹配。在4层板的PCB里，层之间的间距比较大，从而失去其电源层间的电容优势，所以，去耦电容的数量将大大增加，尤其是小于10nF的高频电容。详细的计算和仿真可以通过EDA工具来实现。7.时序分析对于时序的计算和分析在一些相关文献里有详细的介绍，下面列出需要设置和分析的8个方面：1.写建立分析：DQvs.DQS2.写保持分析：DQvs.DQS3.读建立分析：DQvs.DQS4.读保持分析：DQvs.DQS5.写建立分析：DQSv