Дифференциальная изометрическая обработка и имитационная проверка проектирования высокоскоростной печатной платы

Влияние относительной задержки на сигналы

Сигналы, передаваемые по дифференциальным сигнальным линиям, содержат дифференциальную составляющую и синфазную составляющую сигналов.

Количество дифференциальных сигналов относится к разнице между двумя сигналами по формуле V_diff =В₁ - В₂ . Количество синфазных сигналов относится к половине суммы двух сигналов по формуле . Следовательно, изменение напряжения одной линии однозначно приводит к одновременному влиянию на дифференциальные и синфазные сигналы. Затем графическое программное обеспечение применяется для построения диаграммы математической функции, чтобы соответственно изучить влияние на сигналы дифференциального режима и сигналы синфазного режима. Для удобства исследования сигналы можно анализировать, моделируя их в форме трапециевидной формы с одинаковым временем нарастания и временем спада.

• Влияние на дифференциальные сигналы

Сигнал клеммы положительной фазы, сигнал клеммы отрицательной фазы и дифференциальный сигнал пар дифференциальных линий показаны на рисунке 1 ниже, где сплошная линия обозначает волну дифференциального сигнала.

Если размещение фазы происходит от клеммы положительной фазы к клемме отрицательной фазы, произойдет изменение разницы между сигналом клеммы положительной фазы и сигналом клеммы отрицательной фазы на верхнем или нижнем фронте, и это изменение будет меняться с изменением фазы. Т_р используется для обозначения более короткого времени между временем нарастания и убывания. Можно указать, что при расположении фаз меньше второй точки T_r , искажение сигнала относительно невелико, а увеличение положения фазы приводит к сильному искажению формы дифференциального сигнала. Когда размещение фазы превышает T_r , на осциллограмме будет иметь место немонотонная область. Здесь немонотонная область представляет собой прямую линию. Однако для практических сигналов из-за отражений могут иметь место большие подъемы и спады в немонотонной области с формированием интерференционного импульса, приводящего к ложному срабатыванию, чего следует избегать. Кроме того, верхний край дифференциального сигнала становится медленнее с увеличением положения фазы, что может привести к недостаточному времени установления для сигнала данных и может привести к недостаточному времени удержания для тактового сигнала.

• Влияние на синфазный сигнал

Размещение фазы сигнала с одного терминала не будет влиять на форму дифференциального сигнала, но изменит форму сигнала синфазных сигналов. Когда размещение фазы происходит в сигнале положительной клеммы, изменение волны будет иметь место в синфазных сигналах. Можно указать, что диапазон колебаний связан с количеством фазового размещения. Когда величина размещения фазы составляет соответственно 0,05T_r , 0,1 Тл_r , 0,2 Тл_r и 0,5T_r , диапазон колебаний общего режима составляет соответственно 5%, 10%, 20% и 50% исходного диапазона колебаний. Когда фаза увеличивается до T_r или более, флуктуация увеличится примерно до 100%, что является самым высоким диапазоном флуктуации. Изменение синфазного сигнала может привести к проблемам с электромагнитными помехами, а поскольку сигнал с общим кодом не принимается на терминале при многих условиях, на принимающем терминале образуется отражение, что приводит к звону сигнала. Следовательно, диапазон колебаний синфазного сигнала должен быть максимально уменьшен.

В заключение, слишком большая относительная задержка между дифференциальными парами может привести к ложному срабатыванию сигналов, отражению сигнала, электромагнитным помехам и проблемам временной последовательности. Однако степень влияния сигнала относительной задержки зависит от масштабного коэффициента, совместимого с сигналом T_r . При масштабном коэффициенте 0,05 искажениями дифференциальных сигналов можно практически пренебречь. Однако для синфазных сигналов, когда масштабный коэффициент равен 0,05, флуктуация напряжения синфазных сигналов может контролироваться примерно на уровне 5%. Тогда, даже в ситуации полного отражения, накопленное по сигнальным линиям напряжение отражения составляет всего 10 % исходной флуктуации, что обычно является приемлемым значением. Следовательно, в процессе проектирования высокоскоростной печатной платы относительная задержка линии дифференциального сигнала в правилах регулирования маршрутизации может быть установлена ​​равной 0,05 T_r который способен удовлетворить требования целостности сигнала.

Определение категории относительной задержки

На основании приведенного выше анализа ключ к определению дифференциальной изометрической категории, то есть определение относительной задержки дифференциальных пар, заключается в определении T_r относится к наименьшему значению между верхним и нижним временем дифференциальных сигналов. Выход времени нарастания и времени спада на самом деле является результатом комбинации импеданса и емкости. Таким образом, время нарастания/спада без нагрузки фактически является внутренним временем нарастания/спада.

Для получения значения T_r можно применить следующие три метода. :
• Время нарастания/спада можно получить непосредственно из руководств по компонентам. Однако в большинстве случаев этот параметр не указывается.
• Значение T_r. можно получить из ключевых слов Ramp из модели компонента IBIS (информационная спецификация входного/выходного буфера). Параметры времени нарастания/спада под ключевыми словами Ramp обычно измеряются на выходном порту, подключенном к резистору 50 Ом, что обычно составляет от 20% до 80% конечного времени напряжения. Поскольку параметры получены без учета влияния упаковки, мы строго используем время нарастания/спада в качестве значения T_r .
• Значение T_r можно оценить по минимальной тактовой частоте или максимальной тактовой частоте выходных сигналов. Поскольку в большинстве высокоскоростных цифровых систем передний фронт распределения составляет примерно 10 % от тактовой частоты, значение T_r можно оценить с помощью минимального тактового периода Tclk по формуле:T_r =T_щелчок х 10%.

Расчетное значение, полученное за период тактового сигнала, обычно является строгим, поскольку паразитные параметры корпуса или загрузка компонентов значительно замедляют собственное время нарастания/спада в транзисторах.

В практической работе, в большинстве случаев, схемотехники не предоставляют информацию о T_r инженерам по компоновке печатных плат, которые получают только некоторые неоднозначные требования в отношении дифференциального изометрического контроля. Третий метод, несомненно, обеспечивает простую схему для инженеров по компоновке печатных плат, пока достигается самая высокая тактовая частота на сигнальной линии. Самая высокая тактовая частота считается наиболее надежным проектным параметром для разработчиков схем, и она обычно предоставляется инженерам по компоновке печатных плат в начале проектирования печатных плат.

Третий метод обычно приводит к списку эталонных значений в пределах категории управления относительной задержкой между дифференциальными парами, как показано в таблице ниже.

Тактовая частота/нс	Тактовая частота/МГц	Категория относительной задержки/пс	Длина линии передачи/мил
3,75	266	18,8	105
3	333	15	84
2.5	400	12.5	70
1.87	533	9.4	52
1.5	667	7.5	42
1.25	800	6.3	35

Проверка моделирования

В качестве примера возьмем дифференциальный сигнал DQS (строб данных) между TSM320 и MT41J256M16. Программное обеспечение моделирования Cadence применяется для передачи сигнала DOS в память DRR3 для имитации микросхемы управления памятью, анализа его влияния на время удержания установления сигнала данных и проверки приведенного выше анализа. Схема моделирования показана на рисунке 2 ниже.

Исходя из рисунка 2, опорное напряжение выходных контактов составляет 1,5 В; микросхема управления памятью напрямую связана с микросхемой памяти через режим ODT (On-Die Termination) с линией передачи 800 мил; дифференциальное сопротивление составляет 100 Ом, а тактовая частота моделирования — 800 МГц. Линия передачи 50 Ом последовательно соединена с клеммой положительной фазы DQS, чтобы имитировать явление несоответствия дифференциальных пар. В случае изометрических дифференциалов длина однополюсной линии передачи 50 Ом составляет 0 мил.

Моделирование проводится дифференциальной изометрической схемой. На рис. 3 показан выходной сигнал на клемме положительной фазы дифференциальных сигналов. При измерении время нарастания составляет примерно 216 пс, а время спада — 219 пс, поэтому минимальное время нарастания/спада T_r должно быть 216 пс.

На рис. 4 представлена ​​глазковая диаграмма сигнала данных DQ и стробирующего сигнала DQS посредством моделирования со временем установления 205 пс и временем удержания 337 пс. Согласно скорости оборота сигналов DQS и DQ посредством моделирования и на основе руководства по данным, минимальное время установления сигналов данных принимающим терминалом должно составлять 85 пс, а минимальное время удержания — 95 пс. Таким образом, превышение минимального времени установления составляет 120 пс, а времени удержания — 242 пс.

Ситуация существования 0.05T_r размещение фаз, 0,2 Тл_r размещение фаз и 0,5T_r необходимо учитывать размещение фазы на клемме положительной фазы. Цепь может быть смоделирована с длиной линии передачи с одним терминалом, которая соответственно установлена ​​​​на 60 мил, 240 мил и 600 мил. Форма волны дифференциального сигнала и форма сигнала синфазного сигнала после 4-кратного моделирования показаны на рисунках 5 и 6.

На основании рисунка 5 искажения минимальны при относительных задержках 0,05T_r. и 0,2T_r происходит. Особенно при относительной задержке 0,05T_r , только размещение около 5 пс от дифференциального сигнала к форме дифференциального сигнала без относительной задержки, так что превышение времени установления сигнала данных увеличивается примерно на 5 пс, а время удерживания превышения уменьшается на 5 пс. Несмотря на то, что время удержания избыточного измерения уменьшено, это количество размещения очень мало для времени удержания 242 пс. Последовательности во времени можно избежать. Для ситуации, когда относительная задержка составляет 0,5T_r , размещение формы сигнала DQS достигло около 60 пс. Хотя такое размещение по-прежнему относится к категории чрезмерных, следует уделить достаточное внимание.

Судя по рисунку 6, увеличение положения фазы приводит к очевидным периодическим колебаниям на волнах и постепенному увеличению диапазона. При относительной задержке соответственно 0,05T_r , 0,2 Тл_r и 0,5T_р , измеренное пиковое значение синфазного сигнала составляет соответственно 61 мВ, 176 мВ и 430 мВ, среди которых самое высокое значение в семь раз больше самого низкого. Наибольший диапазон колебаний составляет соответственно 4,3%, 12% и 29%.

В заключение, результат моделирования совместим с результатом, полученным с помощью анализа диаграммы математической функции. Когда относительная задержка между дифференциальными парами меньше 0,05T_r , влияние на сигналы очень мало.

Минимальный тактовый период выходного сигнала на выходной клемме применяется для оценки категории управления относительной задержкой. Согласно руководству по компонентам, минимальный тактовый период компонентов составляет 1,25 нс при тактовой частоте 800 МГц. Согласно таблице 1 относительная задержка должна контролироваться в пределах 6,3 пс при длине линии передачи 35 мил. Судя по всему, это значение намного меньше контрольной категории относительной задержки 0,05T_r через симуляцию. Таким образом, расчетная категория управления относительной задержкой является относительно консервативной, что является более конкретным, чем смоделированный результат.

Полезные ресурсы
• Исследования по проектированию высокоскоростных печатных плат во встроенных прикладных системах
• Как проектировать плоскости изображения для высокоскоростных печатных плат
• Проблемы целостности сигнала при проектировании высокоскоростных печатных плат и их решения
• Моделирование печатных плат с использованием OrCAD PSpice
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — несколько дополнительных опций
• Расширенная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — от 1 детали