如何降低PCB玻璃纖維編織 對(duì)高頻差動(dòng)信號(hào)的影響

1、如何降低PCB玻璃纖維編織 對(duì)高頻差動(dòng)信號(hào)的影響(上)高速數(shù)位系統(tǒng)中，有越來(lái)越多使用高頻差動(dòng)信號(hào)於高效能硬體平臺(tái)上的應(yīng)用，關(guān)於IPC4101中所制定的電路板材質(zhì)，對(duì)於使用高於2.5 GT/s的高速差動(dòng)信號(hào)做為傳輸?shù)膮R流排而言，有信號(hào)完整性問(wèn)題存在，主要是因受限於電路板板材中的纖維編織方式所影響，此影響已被證明非同質(zhì)的媒介被編織在一起時(shí)，確實(shí)影響在高速率數(shù)據(jù)傳遞上，造成信號(hào)偏斜失真，導(dǎo)致增加共模電壓和降低相應(yīng)的差動(dòng)信號(hào)。本文以PCI Express Gen2為例，表列出電路板中的纖維編織效應(yīng)，整體上會(huì)在什麼情況下產(chǎn)生，及如何減輕它的影響和在什麼情況下可忽略此效應(yīng)，並介紹旋轉(zhuǎn)佈局圖像法來(lái)有效的減輕

2、信號(hào)偏斜效果；將來(lái)的高速數(shù)位系統(tǒng)產(chǎn)品，如高效能伺服器，電腦及任何使用高頻差動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，將可利用本文的分析結(jié)果，合併適當(dāng)技術(shù)在電路板的關(guān)鍵相互連接信號(hào)上，以確保信號(hào)的傳遞失真達(dá)到最低。導(dǎo)論 當(dāng)電子工業(yè)在電子信號(hào)達(dá)到100MHz以上時(shí)，開(kāi)始注意到電路板上的傳輸線對(duì)信號(hào)傳遞的影響，於是開(kāi)始了解如何由電阻、電感及電容來(lái)解構(gòu)傳輸線效應(yīng)1，當(dāng)電子信號(hào)達(dá)到1GHz以上後，電路板中的疊構(gòu)（Stack-Up）材質(zhì)，存在著不同參數(shù)設(shè)定，經(jīng)由不同的細(xì)部設(shè)定，亦會(huì)影響信號(hào)的傳遞2，而在數(shù)位系統(tǒng)晶片中，隨著速度與頻率不斷的增加及超大型積體電路（Very Large Scale Integrated Circuit

3、s；VLSI）的小型化，信號(hào)完整性（Signal Integrity；SI）與系統(tǒng)電路板之間的關(guān)係，已經(jīng)變成對(duì)於設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工程師上的一個(gè)主要問(wèn)題；針對(duì)傳輸率大於2.5GTs的信號(hào)，已被證明非同質(zhì)的媒介於電路板中被編織在一起時(shí)，確實(shí)影響高速差動(dòng)匯流排的信號(hào)傳送38，所以我們需要了解電路板中的纖維編織效應(yīng)，對(duì)於單端信號(hào)及差動(dòng)信號(hào)而言，整體上會(huì)在什麼情況下產(chǎn)生，及如何有效的降低它的影響，我們將以SPICE模擬工具，進(jìn)行準(zhǔn)確的板級(jí)（Board Level）模擬，以列舉出信號(hào)於電路板中的纖維編織效應(yīng)，進(jìn)而解析及找出解決之道。 本文結(jié)構(gòu)如下。在一開(kāi)始會(huì)介紹基本原理與問(wèn)題探討，接下來(lái)描繪減輕纖維編織效應(yīng)的解

4、決方法，其後展現(xiàn)主要模擬結(jié)果，包含效應(yīng)問(wèn)題的還原及改善後的模擬拓樸。最後為結(jié)論。基本原理與問(wèn)題探討電路板纖維編織的概述 典型的印刷電路板（PCB），由於它的基本架構(gòu)是由玻璃纖維結(jié)構(gòu)編織以加強(qiáng)與環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合更為緊密，而玻璃纖維的相對(duì)介電常數(shù)（Relative Dielectric Constant；）不同於環(huán)氧樹(shù)脂的相對(duì)介電常數(shù)，對(duì)於高速差動(dòng)信號(hào)在此結(jié)構(gòu)上的傳遞而言，表現(xiàn)出一種非同質(zhì)結(jié)合的媒介。 如圖13所示，有數(shù)種編織類(lèi)型，相對(duì)於板邊，編織方法呈現(xiàn)水平和垂直兩種。差動(dòng)對(duì)與編織剖面圖 當(dāng)差動(dòng)對(duì)（Differential Pair）及走線的寬度和間隔，與玻璃纖維布的尺寸一起比較時(shí)， PCB的非均勻

5、介電值能引起在差動(dòng)信號(hào)對(duì)之間，產(chǎn)生實(shí)際的信號(hào)傳遞的差別，如圖23所示，為PCB中差動(dòng)對(duì)與玻璃纖維布的編織剖面圖。差動(dòng)信號(hào)與眼圖 差動(dòng)信號(hào)（Differential Signal）主要藉由兩條平行線傳遞數(shù)位資料，其中一條傳輸線載送正端信號(hào)（D+），另一條傳輸線載送負(fù)端信號(hào)（D-），如下圖3所示，其傳輸線阻抗主要是正端參考負(fù)端所得，常見(jiàn)的差動(dòng)信號(hào)如USB，SATA and PCIE等，皆以此技術(shù)傳遞信號(hào)；既然差動(dòng)信號(hào)上的數(shù)位資料由正端信號(hào)與負(fù)端信號(hào)結(jié)合後獲得，而所合成的波形如圖449所示，此圖為累計(jì)數(shù)千筆數(shù)位資料後所得波形，由於此圖看似眼睛，所以又稱(chēng)眼圖（Eye Diagram），眼圖中主要參數(shù)有

6、寬度（eye width） 與高度（eye height），寬度與高度所構(gòu)成的區(qū)域大小，即為決定差動(dòng)信號(hào)的品質(zhì)所在，如圖54所示，為高頻示波器中常用以量測(cè)眼圖時(shí)，所用的眼圖比對(duì)元件，此元件被用來(lái)比對(duì)的參數(shù)變數(shù)有：Earliest Edges，F(xiàn)alling Latest Edge，Rising Latest Edge，Highest Vih，Lowest Vih，Highest Vil，Lowest Vil，Jitter and Mask 等9種參數(shù)變數(shù)。差動(dòng)信號(hào)於非同質(zhì)媒介中傳遞的潛藏問(wèn)題 FR4電路板基材（base material）由兩種媒介玻璃纖維（Fiberglass）及環(huán)氧化物 （

7、Epoxy）合成，且信號(hào)演變至今已達(dá)2.5GTs以上，所以我們便要思考，差動(dòng)信號(hào)的兩條信號(hào)分別傳遞在此兩種媒介上的潛藏問(wèn)題，其主要原因?yàn)閮煞N媒介的相對(duì)介電常數(shù)（Relative Dielectric Constant；）不同，玻璃纖維結(jié)構(gòu)的電介值大約為6，而環(huán)氧樹(shù)脂的電介值大約為3.5，如圖63所示，為一般差動(dòng)信號(hào)走在FR4玻璃纖維上的佈局，其中同一對(duì)的信號(hào)傳遞在不同電介值上，速率的公式與相對(duì)介電常數(shù)的平方根成反比，如公式（1） 2所示，因不同的電介值，便產(chǎn)生不同的信號(hào)延遲失真。 而在高速率數(shù)據(jù)傳遞上，偏斜失真（Skew）能等於一個(gè)輸送單位間隔的實(shí)際一小部分，導(dǎo)致增加共模式電壓和降低相應(yīng)的差動(dòng)

8、信號(hào)（如圖75所示）。另外，也導(dǎo)致交流共模（ACCM）信號(hào)轉(zhuǎn)變成為在系統(tǒng)裡的一個(gè)增加串音（Crosstalk）和EMI的來(lái)源，使得接收端違反ACCM規(guī)範(fàn)。串?dāng)_（Crosstalk） 串?dāng)_發(fā)生的主要原因是相鄰兩條傳輸線之間的互感與互容所導(dǎo)致的，當(dāng)信號(hào)的傳輸速度愈快且PCB的尺寸愈小則串?dāng)_越嚴(yán)重，由圖86所示的兩個(gè)相鄰導(dǎo)體等效模型可知，當(dāng)兩條傳輸線的距離越近時(shí)，則互感（Lm）與互容（Cm）越大，能量從一條傳輸線耦合到另一條傳輸線便加劇。 可以由圖96與公式26，大概的估計(jì)出兩平行線間實(shí)際可能的間距寬度，以得知近似的串?dāng)_量。 其中： Crosstalk=平行導(dǎo)體的串?dāng)_量（%） d=兩微帶線間的距離（

9、mil） h=微帶線到銅箔面的距離（mil）AC共模下的纖維編織效應(yīng) ACCM的降低會(huì)因?yàn)锳CCM在更長(zhǎng)的長(zhǎng)度下的導(dǎo)體和電介質(zhì)的損失，ACCM效應(yīng)是較少明確分析眼圖高度和寬度的比較。研究顯示，重點(diǎn)在（頻率和長(zhǎng)度）對(duì)ACCM 影響變得重要，對(duì)眼圖高度的影響也相當(dāng)多。即，在相同的要點(diǎn)設(shè)計(jì)必須為ACCM 影響減輕，這也將被迫減緩眼圖的降低。減輕纖維編織效應(yīng)的探討 減輕纖維編織影響，可經(jīng)由限制與板邊緣平行的佈線長(zhǎng)度，或呈現(xiàn)輻狀的走線，目的是避開(kāi)直接平行在編織法上4。這些的應(yīng)用性及可取性將依每個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)而變化。相對(duì)於編織法，根據(jù)三角學(xué)分析顯示，只旋轉(zhuǎn)走線方向的1或2度，是可以有效地減輕問(wèn)題，更進(jìn)一步的

10、數(shù)據(jù)顯示經(jīng)常使用相對(duì)於板邊的編織法的5度旋轉(zhuǎn)，如此總共是10度的旋轉(zhuǎn)，將更減輕整體上的影響5?；旧蠝p輕此效應(yīng)的技術(shù)的選擇，是根據(jù)硬體平臺(tái)的構(gòu)造和佈局，此部分保留給平臺(tái)設(shè)計(jì)者做彈性的調(diào)整。特殊的佈局與走線 在電路板佈局的初始階段，對(duì)於晶片和高速匯流排的放置，使這些匯流排對(duì)於延伸的長(zhǎng)度，以非平行於板邊方式走線，實(shí)踐如此的走線方式，以致於減輕編織效應(yīng)的影響。對(duì)於Layout工程師而言，這將需要小心的規(guī)劃及檢查，不過(guò)此法可以另一種方式取代（如旋轉(zhuǎn)佈局圖像法）。45度的平面圖設(shè)計(jì) 一些設(shè)計(jì)的平面圖能自動(dòng)迫使關(guān)鍵的走線，以非正交的角度方向佈局，以達(dá)到所有高速匯流排必須以非正交佈局和走線方式，以有效的符合

11、此要求，45度的平面佈局法，便是利用佈局工具本身所提供的45度走線設(shè)定，來(lái)讓關(guān)鍵的走線自動(dòng)被迫以此佈局，但前提是佈局工具本身要提供此功能。限制直角法的佈線 影響眼圖的高度和寬度，為配以編織法及調(diào)整好的佈線長(zhǎng)度的函數(shù)，有效的解決辦法是限制匯流排走線總長(zhǎng)度的正交鋪設(shè)，主要是警告ACCM效應(yīng)必須被仔細(xì)考慮，走線經(jīng)過(guò)BGA接腳領(lǐng)域，如超過(guò)2英吋長(zhǎng)的高速匯流排，必須確認(rèn)沒(méi)有正交佈局和鋪設(shè)。本文作者現(xiàn)於國(guó)立臺(tái)北科技大學(xué)電通所參考文獻(xiàn)1 Massoud, Y., Kawa, J., MacMillen, D。and White, J., ” Modeling and analysis of differen

12、tial signaling for minimizing inductive crosstalk,” Design Automation Conference, 2001. Proceedings, 2001 Page（s）:804 809.2 周慶棟、徐三勝、林殷旭、古士興、黃文增，“高可靠度的高速數(shù)位硬體平臺(tái)之研究”，2005高速電路板設(shè)計(jì)研討會(huì)。3 4 5 6 G.H. Shiue and R. Wu, “Reduction in Reflections and Ground Bounce for Signal Line through a Split Power Plane by Using Differential Coupled Microstrip Lines,” Electronics Packaging Technology Conference, pp. 180-183, 2002. 4th, 10-12 Dec. 2002. 7 8 Avendano, V., Champac, V., and Figueras, J., “Signal integrity verification using high speed monitors,” Test Sympos