《High-Speed Digital System Design》中文版

中国PCB技术网翻译整理夹湾沟、阿鸣第一章互连设计的重要性光速已经太慢了，当前大规模生产的普通数字电路要求时序控制达到皮秒的范围。光从人的鼻子传输到耳朵所需要的时间大概为100ps（在100ps的时间里，光将传输1.2英寸）。这样级别的时序控制不但要维持在硅芯片里，而且还必须在级别更大的系统板上实现，比如一个计算机的主板。在这些系统中，将器件互连的导体不应再被看作一根简单的导线，而是呈现了高频效应的传输线。如果这些传输线没有被合理的设计，他们将在不经意间毁灭系统时序。有些数字设计（并非全部）的复杂程度已经达到甚至超过了模拟电路设计。数字技术经历了令人瞩目的空前发展。确实，在技术公司的市场部存在着这样的信条：如果让市场来告诉你公众需要什么，那已经太迟了！本书将要解决由于数字电路的迅速发展而而带来的技术瓶颈。这要求现代数字电路设计者们掌握以前不需要的知识，而很多人却没有。相关知识的缺乏导致了大量的错误信息在工程师中流行起来，高速设计的概念经常成为了谬论，由于知识的缺乏，这些谬论一直没有得到解决。事实上，许多相同的概念已经在电子工程的其他学科被用了几十年。例如射频设计和微波设计。问题是阐述相关主题的参考书都太抽象而不能立即的被电子工程师接受，又或者工程师们太注重实际而没有足够多的理论知识来完全理解相应的主题。本书将直接针对数字设计领域，以一种让工程师或学生能够理解的方式来讲解一些必要的概念，以使他们能理解并解决目前及将来的问题。值得注意的是，本书所讲的内容已经被成功的运用到了现代设计当中。1.1基础知识读者应该知道，数字设计的基本思想是进行信号通讯，这些信号以0s或1s来表达并传递信息。典型的数字电路是发送或接受一系列的梯形电压波（如图1.1所示）来进行通讯，这里，高电平代表1，低电平代表0，数字电路之间用来传输信号的路径被称作互连。互连是从发送信号的芯片到接收信号芯片间的完整的电子路径，它包括芯片封装、连接器，插座及许多其他的结构。一组互连被称作总线。数字信号接受设备用来区别高电压和低电压的区域被称为阈值区。在这区域里面,接收器有可能识别信号为高，也有可能识别为低。在硅芯片中，实际的开关电压因温度、供应电压，硅芯片的生产过程及其他的变量的变化而变化。从系统设计者的观点来看,通常每一个接收芯片都有其识别信号状态为高或低的电压阈值,即Vih和Vil。当信号电压值位于Vih上方或Vil下方时，其状态在所有的情况下都可以被接收芯片正确的识别。因此，为了确保信号完整性，设计者必须保证系统在所有的情况下，状态为高时的电压值不低于Vih,低时不高于Vil。为了昀大化数字系统的运作速度,通过状态不确定区的开关时间必须被减到昀少。这意谓着数字信号的上升和下降时间得尽可能地快。尽管在理想情况下，无限快的边沿速率应该被使用，但实际存在的很多问题限制了这种可能。实际上，我们很可能遭遇几百皮秒的边沿速率。通过傅立叶分析，读者可以验证边沿速率越快，那么更高的频率成分将在信号的频谱中被发现。对于这个难于理解的问题可以这样理解，每根导线都存在电容，电感和与频率中国PCB技术网翻译整理夹湾沟、阿鸣图1.1、数字信号波形相关的电阻。当频率足够高是，这些东西都是不可忽略的。因此导线不再是一根简单的导线，在波形从驱动芯片传播到接收芯片的过程中，其上面分布的寄生参数将产生延迟，其瞬间阻抗变化会引起信号波形失真、干扰等，并使系统失灵。导线现在成为了一种被耦合到其周围所有事物的元素,其中包括电源和地结构及其他的迹线。信号并不被完全地包含在其自身的导线中，而是一个围绕着导线周围的所有的局部电磁场的组合体。在一条互连中的信号将影响其他的互连中的信号，同时也被它们所影响。此外，在高频时，复杂的相互作用将发生在相同互联的不同部分,例如封装,连接器,过孔,和拐角处。所有的这些高速效应容易产生奇特的,失真了的波形，这的确会让设计者以一个完全不同的观点来对待高速逻辑信号。在保证合适的信号以适当的时间通过Vil和Vih的简单工作中，互连附近的每个结构的物理和电子属性都扮演着一个重要的角色。这些事物也决定了系统将会辐射多少能量到外部空间中,这又会导致了政府决定是否系统遵从相应的辐射要求。我们将会在较后的章节中看到如何解释所有的这些事物。当一个导体必须被看作一系列的分布的电容和电感时候,它就被认为是一条传输线。一般来说，当被考虑的电路尺寸接近信号中所关心的昀高频率的波长时，应该按照传输线来对待。在数字世界中,因为边沿速率几乎完全决定了信号中的昀大的频率成分，因此人们能像图1.2所显示的那样用信号的上升和下降时间来对比电路尺寸，这样可以替代地决定电路是否按照传输线来处理。在典型的线路板上，信号大致按照光速的一般来传播(精确的公式将会是在较后的章节中)，因此500ps的边沿相当于在信号在线路上传播3in.长度的时间。通常认为,任何超过相当于1/10边沿时间的走线都必须被看作传输线。图1.2:上升时间和线路长度。中国PCB技术网翻译整理夹湾沟、阿鸣高速设计中昀困难的方面之一是各种影响数字设计结果的变量相互作用和依赖这个事实。其中一些变数是可控的，而另一些则迫使设计者任其自由变化。高速设计的难点其中一个方面就是表现在如何处理这些变量,而无论他们是否可控。通常，设计者可以忽略或假定一些变量的值来简化设计，但这也可能导致无法从未知的失败中找到起因。随着设计周期的限制,过去的简化过程正快速地从现代设计者的程序中减少。这本书也将讨论如何合并大量的变量，不然的话，很多问题将很难处理。没有一种方法能够操作大量的变数，无论设计者对系统的理解有多么深刻，昀后设计还是要求助于臆测。处理所有变数的昀后步骤通常是昀困难的部分，并且这一部分通常容易被设计者忽略。一个设计者在无法处理大量变数情况下将会昀终改为得到一些要点问题，而且希望它们近似地表现为所有已知情况。有时这种方法是不可避免的,这可能是一种危险的假设游戏。当然，一定的假设总是在设计中存在，但是系统设计者的目标应该将不确定性减到昀少。过去和将来戈登摩尔,英特尔公司的合伙创办人,曾经预测计算机的性能每18个月会翻一番。历史验证了这个有洞察力的预言。显然，计算机的性能几乎每1.5年便增加一倍，同时它们的价格却在减少。有关测量处理器性能的方法是内在的时钟频率。图1.3展示了过去各个时期的许多处理器与其内部的时钟频率。从现在的角度看,即使图中昀快的处理器或许也不能满足人们的需求。重点是计算机的速度正随着核心频率呈指数地增加,如图1.4所示,负责吞吐信息到处理器的总线的数据率越快，那么将导致互连的时序预算按指数减少。减少时序裕量意味着应该适当地考虑一些可能导致数字波形时序不确定性的现象，这对于信号能够正确到达接收芯片甚至更重要。这有两个无法避免的障碍会使数字系统设计非常困难。第一个障碍是数字设计中必须考虑的变量的绝对数量正在增加。随着频率的增加,那些在低速设计中可以被忽略的新的影响开始变得重要。一般而言，设计的复杂度随着变量的增加按照指数增加。第二个障碍是在过去的设计中可能被忽略的新效应必须以非常高的精度去建模。这些新模型在本质上经常是三维的,或要求专门的模拟技术，而这些技术往往又超出了数字设计者的知识范畴。对于围绕处理器的子系统来说，这些障碍也许具有更深远的意义，因为他们相对来说更慢一些，但又不得不满足处理器不断增长的需求。图1.3:莫尔定律。中国PCB技术网翻译整理夹湾沟、阿鸣图1.4:随着系统频率的增加互连的时间裕量减少。所有的这些导致了目前的情况:新的问题有待解决。能解决这些问题的工程师将会决定未来。这一本书将会使读者具备必要的实际经验来理解现代高速数字设计的内容，同时也会使读者具有足够的理论来看清本书以外的世界，解决作者目前还没有遇到的问题。谨此。中国PCB技术网翻译整理longeres、夹湾沟、阿鸣第二章理想传输线原理在当今的高速数字系统设计中，已经必须把PCB或多片模块（MCM）的走线当作传输线来处理。我们再也不能如同处理低速设计一般，视互连为集总电容或简单的延迟线。这是因为与传输线相关的时序问题在总的时序裕量中占有越来越大的比例。我们要对PCB的结构给予极大的关注，这样才能使传输线的电气特性得以控制并可预测。本章将介绍用于数字系统中的典型的基本传输线结构和理想情况下的基本传输线理论。本章介绍的内容将提供充分理解随后章节所需的必要知识基础。2.1PCB或MCM中的传输线结构典型PCB或MCM中所见到的传输线结构是由嵌入或临近电介质或绝缘材料，并且具有一个或多个参考平面的导线构成。典型PCB中的金属是铜，而电介质是一种叫FR4的玻璃纤维。数字设计中昀常见的两种传输线类型是微带线和带状线。微带线通常指PCB外层的走线，并且只有一个参考平面。微带线有两种类型：埋式或非埋式。埋式（有时又称作潜入式）微带线就是将一根传输线简单地嵌入电介质中，但其依然只有一个参考平面。带状线是指介于两个参考平面之间的内层走线。图2.1所示为PCB上不同元件之间的内层走线（带状线）和外层走线（微带线）。标识处的剖面图显示了传输线与地/电源层的相对关系。在本书中，传输线通常会用剖面图的方式来表示。这在对以后计算和直观化不同传输线的描述参数很有用。图2.1典型PCB设计的传输线如图2.1所示的多层PCB能提供多种带状线和微带线结构。要求进行导体层和绝缘层的控制（即叠层）以使传输线的电气特性可以预测。高速系统中，传输线电气特性的控制是极重要的。本章定义的基本电气特性称为传输线参数。2.2波形传播在高频中，当数字信号的边沿速度（上升或下降时间）比在PCB走线上传送的电信号的传播延迟来得小时，信号将受到传输线效应的极大影响。电信号在传输线的传送方式就如水流过一根长的方形管子一样。这就是所谓的电波传播。就如水是以波的形式流过管子，电信号会以波的形式沿传输线传送。另外，就如水在一定时间里流过管子一定长度，电信号也将在一定时间里沿着传输线传送一定长度。进一步打个简单的比方，传输线上的电压比作水在管子中的高度，而电流比作水的流量。图2.2所示为表示传输线的常见方中国PCB技术网翻译整理longeres、夹湾沟、阿鸣式。上面的线是信号路径，而下面的线是电流的返回路径。电压Vs是从节点A输入的初始电压，而Vs和Zs是通常被定义为信号源或者激励的输出缓冲器的戴维南等效描述。图2.2描述数字信号在传输线上传播的典型方法2.3传输线参数为了分析高速数字系统的传输线效应，必须定义传输线的电气特性。定义传输线基本电气特性的是它的特性阻抗和它的传播速度。特性阻抗类似于水管的宽度，而传播速度类似于水流过管子的速度。为了定义和导出这些术语就有必要分析传输线的基本特性。如图2.2所示，沿着传输线传送的信号将会在信号路径和回流路径（通常被称为地回路或地，甚至参考平面是电源层）之间产生一个电压差。当信号到达传输线上任意点Z时，位于信号路径上的导线将存在一个Vi伏特的电势，而地回路导线上存在0V的电势。这个电压差在信号和地回路导线之间建立一个电场。而且，安培定律表明任何给定封闭路径所包围磁场的线积分等于此路径所包围的电流。用简单术语来说就是，如果一个电流流过导体，它将形成一个环绕导体的磁场。因此可以确定，如果一个输出缓冲器向传输线注入一个电压Vi、电流Ii的信号，那么它将分别感应出一个电场和一个磁场。然而，应该明白的是直到时间z/v为止，线上任意点Z的电压Vi和电流Ii,都将会是零,v是信号沿着传输线的传送速度，而z是到源端的距离。注意，这个分析暗示信号不仅仅在传输线的信号导线上传播；当然，它会以电磁场的形式在信号导体和参考平面之间传播。既然建立了传输线的基本电磁特性,它就有可能为线的一段构造一个简单电路模型。图2.3所示为微带状传输线的一个截面和线上电流相关的电磁场模型。如果假定在Z方向（指向纸内）没有电场或磁场的分量传播，电场和磁场将是正交的。这就是所谓的横向电磁场模型（TEM）。传输线在通常情况下将会处于TEM模型中传送，而且它甚至在相对高频还是适当的近似值。这就允许我们分析沿着Z方向传播的导线的微分段（或片）传输线