差分信号布线

24
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
阻抗不连续 级别和数据速率因情况而异

问题：

阻抗是衡量电路中电流遇到的总阻碍 阻抗变化导致的不连续会产生反射，这可能会产生重要影响 反射噪声会降低电压差 因若干阻抗不连续而累积的噪声可能会造成重要影响

管理信号完整性还是设计偏执？


突破创新


最重要的问题

9
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
问题的重要性级别

1级

对于所有的数据速率，差分信号都很有可能显著失真 对于所有的数据速率，差分信号可能会显著失真 超过某一数据速率时，信号很可能会显著失真 对于所有合理的数据速率，均不会对 SI 产生显著影响

2级


3级


4级

10
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
信号完整性问题
问题 总长度匹配 过孔影响 阻抗不连续 差分对间距 走线宽度变化 跨越平面分割 层变化 通用过孔 跨越隔离盘开口 泪滴焊盘 入侵者网络间距 扇出长度匹配 过孔引线 相位匹配 纤维编织效应 2 2 2 2 3 3 4 2 2 3 3 3 ≥ 5Gb/s ≥ 5Gb/s ≥ 15Gb/s 全部 全部 ≥ 5Gb/s ≥ 10Gb/s ≥ 10Gb/s 级别 1 1 数据速率 全部 全部 主要问题 > 16Gb/s 耦合到参考平面 过孔影响 阻抗不连续 减少 EMI 影响 消除串扰
12
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
走线长度匹配方法

对称焊盘入口：

在合理公差范围内，使走线以相同的长度收敛 制造问题 – 泪滴焊盘、蚀刻陷阱 优良：

良好 – 通常在公差范围内：
13
差分信号线布线 DesignCon 2014
过度约束

真相...

Rick Hartley 在其 ―The Truth About Differential Pairs in High Speed PCBs‖（有关高速 PCB 板中差分对的真相探究）一文中论述 了没有必要过度约束差分对
http://www.pcbcarolina.com/images/Presentation_-_Hartley_-_Diff_Pairs.pdf
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
走线长度匹配方法

影响对称焊盘入口样式的因素

焊盘间距、宽度和间隙、布线角度：
焊盘间距
布线角度
焊盘间距
焊盘尺寸
14
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
走线长度匹配方法

非对称焊盘入口：
差分信号线布线
Charles Pfeil
工程总监 – 高级产品开发 Mentor Graphics
其他作者： John Mehlmauer – Broadcom Chuck Ferry – Mentor Graphics John Park – Mentor Graphics Nitin Bhagwath – Mentor Graphics

建议：S=2 倍正常走线间距

许多人采用锯齿来避免相同网络耦合
16
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
走线长度匹配方法

相位匹配：

使用锯齿是一种常见解决方案，而非耦合 tuning 较不常用 与总长度匹配所使用的调整样式相同

拐角处的相位匹配
对现状的不同观点

标准实践

企业继续采用尚且奏效的保守设计实践 不愿意分析这些约束，以确定这些约束是否真的必要 当探索未知领域时，人们总是倾向于过度约束 在这个问题上，布局设计者通常别无选择 不断地努力提升设计过程的有效性和效能 协同合作分析这些约束和解决方案 这样可减少入市时间及增加产量 在多大的数据速率下，特定的影响会变得显著，又该怎样管理它？


Rick 在 2014 PCB West 展会上呈现了 ―Realistic Differential Pair Routing for SI Control‖（用于 SI 控制的理想差分对布线）演示报告 长度公差：
8
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics

通常，如果对每项参数都过度约束，势必会牺牲以下一个或多个 方面：成本、时间、尺寸、性能或可靠性

设计软件


如果软件可以帮助您轻松解决过度约束的规则，为什么不加以利 用呢？ 为其他影响因素预留一些裕度（允许的偏移）
7
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
5
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
非耦合布线

由 Lee Ritchey 提出的另一种方法

展示非耦合布线的成功案例，并描述相对于紧耦合布线的优势
―A Treatment of Differential Signals and Its Design Requirements‖ （差分信号的处理及其设计需求） http://www.speedingedge.com/PDF-Files/DiffSigDesign.pdf
19
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
总长度匹配 1 级，所有数据速率

问题：差分对每个互补信号（N 和 P）的总延迟必须在容差范围内

走线长度必须足够接近，以满足偏移预算的要求 主要考虑因素是将抖动保持最小 差分信号接收器是一个交叉检测器 在这种情况下，互补信号之间的电压差将会显著下降，进而导致电路 失效 总长度应包含引脚长度和使用的过孔长度 电路的数据表通常提供基于数据速率的保守公差值


Fra Baidu bibliotek
拐角 – 如果超出公差的总长度不匹配是由不平衡的拐角总数造成的， 并且相位匹配并不是必要条件，那么在一系列拐角后面增加长度应该 是可行的
21
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
过孔影响（返回路径中断） 1 级，所有数据速率

问题：


如何工作？

3
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
差分信号 – 定义

可能会遇到什么问题？


如果在接收器上读取到的差分信号过度失真，可能会无法识别时序和 电压差，电路将失效 不恰当的布线可能会削弱差分信号按预期工作的能力 在多种因素的共同作用下，很难使用差分信号实现成功的设计 理解这些因素并掌握规避相关影响的设计技术是成功布线的关键
差分信号的主返回路径是参考平面 相较于反相差分信号，同相差分信号能够更好地适应返回路径中断 由于过孔穿过多个平面，导致阻抗不连续而造成返回路径中断 如果差分信号在穿过过孔时不同相（在公差范围内），返回路径可 能成为配电网络 o 与源参考平面完全不同，这可能产生 EMI 问题

结果：

22
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
过孔影响（偏移） 1 级，所有数据速率

偏移影响分析：


运行两次差分对仿真，其过孔穿过地/电源平面对 o 蓝色 = 零偏移，在过孔处相位匹配 o 黄色 = 在过孔处有 0.01 英寸偏移 分析结果 = 黄色案例大约有 3 倍噪声
由 Chuck Ferry 运行仿真
DesignCon 2014
简介

目的

定义差分信号线布线时的信号完整性 (SI) 问题 确定这些问题在什么情况下会影响 SI 展示解决这些问题的设计方法 特别关注极高的数据速率 需要处理各种差分信号约束的 PCB 设计者 希望减少此类约束并实现有效设计的工程师 讨论问题及其后果和设计解决方案 使用设计工具以生动的图形来演示这些解决方案

如果焊盘入口无法对称且超出公差，需要对最短走线进行调整 锯齿：

个人建议：W = 走线宽度
H = 2 倍间距 (S)

仅有倾斜段增加布线长度
15
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
走线长度匹配方法

非耦合 tuning：

如果 tuning 无法对称，对最短走线进一步调整 非耦合：

结果：如果总延迟超过容差范围，接收器收到的信号将明显异常


规则：两条走线的总长度的容差

20
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
总长度匹配 1 级，所有数据速率

解决方案：为较短的互补信号增加适当的长度。

通常在驱动器处开始，一旦出现不匹配情况，应尽快增加长度 o 理想情况下，可在任意位置增加长度匹配 tuning 驱动器和接收器 – 尝试使焊盘入口对称
23
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
过孔影响（返回路径中断） 1 级，所有数据速率

解决方案：确保信号在进入过孔时保持同相


确保驱动器和过孔之间每对信号的走线长度相匹配，且在总长度公差 范围内 使用不穿过平面的微过孔 使用缝合孔 o 接地的缝合孔可以归一化返回电流，有助于防止在配电网络中出 现 EMI 问题 o 距两个差分信号过孔的距离应相等

受众


方法

2
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
差分信号 – 采用的原因和工作方式

为什么使用差分信号而不是单端信号？


当差分信号正确布线时，受 RFI 和 EMI 噪声的影响较小且更不易 产生 EMI。 即使信号损耗较大，仍可继续工作 驱动器产生两个具有相同振幅、但极性相反的两个互补信号 接收器检测电压差并能够读取信号的极性变换 某些差分电路能够补偿偏移和损耗 用于切换事件、数据传输或时钟信号

此文论述了与差分信号行为有关的许多假设情况，并演示了采用非 耦合布线的可行性解决方案
6
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
过度约束

保守数据表

偏移预算（长度公差）没必要总是限制得很小 初衷是：想要消除任何可能发生的潜在问题

找到最佳的折衷平衡点
17
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
走线长度匹配方法

使用弧线：

在什么情况下，才会真正意义上有所不同？
18
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
信号完整性问题
问题 总长度匹配 过孔影响 阻抗不连续 差分对间距 走线宽度变化 跨越平面分割 层变化 通用过孔 跨越隔离盘开口 泪滴焊盘 入侵者网络间距 扇出长度匹配 过孔引线 相位匹配 纤维编织效应 2 2 2 2 3 3 4 2 2 3 3 3 ≥ 5Gb/s ≥ 5Gb/s ≥ 15Gb/s 全部 全部 ≥ 5Gb/s ≥ 10Gb/s ≥ 10Gb/s 级别 1 1 数据速率 全部 全部 主要问题 > 16Gb/s 耦合到参考平面 过孔影响 阻抗不连续 减少 EMI 影响 消除串扰
11
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
走线长度匹配方法

在详细探讨如何解决相关问题之前... 长度匹配是一种常见的解决方案

互补信号的总长度匹配（在公差范围内）

一系列差分信号的长度匹配（在公差范围内）

相位匹配（一定距离上在公差范围内）
4
差分信号线布线 DesignCon 2014
版权所有 ©2014 Mentor Graphics
假设

紧耦合并行布线


本演示文档详细描述了紧耦合布线的方法 在相同层上布设彼此靠近、信号互补的走线，同时通过走线的宽度 和间距来控制阻抗 “紧耦合”布线方法的设计意图 o 通过具有同一参考平面的相同环境来布设走线，从而最小化 EMI 影响 o 保持一致的阻抗以减少反射 o 最大限度降低与其他信号的相互作用和影响