工程設(shè)計中常遇到關(guān)于信號完整性的5類典型問題

今天咱來扒一扒工程設(shè)計中關(guān)于信號完整性的那點(diǎn)事，Bala一下工程設(shè)計中常遇到的5類典型問題。沒有因?yàn)檫@些糾結(jié)過的，應(yīng)該還沒開始做SI設(shè)計。相信在一線摸爬滾打的工程獅看了會有共鳴！

第一類問題

需要仿真但僅靠單一的仿真手段還不行

有些問題，第一次設(shè)計時，如果不依靠仿真，沒什么好辦法知道到底行不行或者有沒有危險。舉一個常見的栗子：一拖多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是一個出現(xiàn)概率很高的設(shè)計場景。假如有一個主控板，通過背板（有些公司叫底板）拖6塊板卡，如果是第一次設(shè)計，那怎么評估這個方案行不行！靠設(shè)計規(guī)則？靠經(jīng)驗(yàn)法則？靠猜？那純粹是撞大運(yùn)。

當(dāng)然有些人會說了，打一板試試就知道了。當(dāng)然可以，但是像這種系統(tǒng)級的方案，打板一次費(fèi)用和周期都幾乎不可接受（當(dāng)然土豪除外）。要提前評估方案的可行性，理論分析是少不了的，但這個問題僅靠理論分析搞不定。

咱先從理論上看看這個拓?fù)渲袝l(fā)生什么。芯片的input buffer對信號來說通常表現(xiàn)出很高的阻抗，信號傳輸?shù)浇邮招酒瑫l(fā)生反射。下圖中6個接收端都會有反射。反射回來的信號遇到走線分叉會分別進(jìn)入兩條岔路，比如從3反射回來的信號沿主干線向左右兩個方向傳輸，傳到1、2、4、5、6等接收器時再次發(fā)生反射。也就是3反射的信號會干擾其他芯片的接收信號。

同樣的，其他任何一個接收器的反射信號都會干擾別的接收器。反射過程會發(fā)生很多次，延時疊加，反復(fù)的反射震蕩，這是一個很復(fù)雜的過程，理論上簡單，但最終會疊加出來一個神馬東西？想不出來，得靠軟件。

如果不做任何處理，波形長啥樣？簡單的仿真就能發(fā)現(xiàn)明顯的風(fēng)險，見下圖，高低電平?jīng)_得太厲害了，有隱患。

通過簡單的處理，消弱反射信號在各個接收器之間反復(fù)反射震蕩，我們可以把波形搞成這個樣子。這下放心多了。類似這種需要仿真的問題很多，通過仿真規(guī)避風(fēng)險效果很好的。

第2類問題

無法仿真或很難仿真的問題

仿真是信號完整性設(shè)計很有效的手段。仿真軟件很神奇，迷倒了一大批工程師。如果這個東西真這么簡單那就太好了，click、click、click...，OK，完活，多爽！哪有如此美妙的世界！ 過于依賴仿真，干活時候會經(jīng)常遇到糾結(jié)痛苦的事。尤其把自己定位成仿真工程獅的，面對問題，有時候會無處下手，不知道該仿什么。真要遇到這種事，就該好好考慮一下了，有些事不是仿真能搞定的，也許你遇到的是這第2類問題。 比如下面這個栗子，很酸爽，但絕對沒有糖炒的好吃。 有些單板上會有個別時鐘信號對抖動要求非常高，如果這個時鐘抖動大了，誤碼測試就不過關(guān)。高速串行接口對時鐘都是有要求的，我們看下典型接口信號抖動構(gòu)成，時鐘信號的抖動對傳輸信號的抖動貢獻(xiàn)是不能忽略的。 那么問題來了，硬件人員把這個問題丟給你，怎么解決無所謂，硬件要的就是結(jié)果，搞定就行。那你怎么搞定這個事？靠仿真么？怎么仿？仿什么？

開工之前，分析一下那些因素會影響時鐘的抖動，先列張主要因素的清單： 1、反射（萬惡的反射，哪都有它） 2、串?dāng)_（萬惡的串?dāng)_，哪都有它） 3、模態(tài)轉(zhuǎn)換（有影響要注意） 4、參考平面（隱藏的雷區(qū)） 5、差分對設(shè)計（被很多人忽略的） 6、時鐘芯片的電源（重頭戲） 7、層疊結(jié)構(gòu)安排走線層安排（一念之差的變數(shù)） 8、提供時鐘的晶振選型（硬件選型會慎重的，通常不用SI人員處理） 9、晶振電源的處理（不可忽略） 其他Layout相關(guān)的細(xì)節(jié)就不說了，單單上面提到的這些就夠仿真工程獅喝一壺的（整點(diǎn)二鍋頭還是伏特加？）。 好吧，仿真工程獅，仿真工程獅，咱開仿。打開神奇的軟件，然后呢，沒然后了........。往軟件里面塞什么內(nèi)容讓它跑仿真？ 那個什么，電源對抖動的影響，仿真腫么破？那個參考平面的影響，仿真腫么破？從仿真的角度來做頭疼是必然的。但是如果你換一個角色，以信號完整性設(shè)計工程師的角度去看會豁然開朗。該仿真的仿真，仿不了的設(shè)計上控制一下不就可以搞（tou）定（lan）了。反正最終要的就一個結(jié)果，抖動降下來就OK。 黑貓白貓抓住耗子是好貓。好產(chǎn)品是設(shè)計出來的，不是仿出來的。不糾結(jié)，做好貓！

第3類問題

需要仿真但僅靠單一的仿真手段還不行

舉個典型栗子......?？瓤龋质抢踝?，夠了，被拍飛........。 好吧，鼻青臉腫的咱回來接著說。電源的磁珠濾波（又是萬惡的磁珠濾波），話說電源上用磁珠濾波那是比比皆是，話說這個磁珠濾波吃掉了多少硬件人員的加班時間，調(diào)試調(diào)試再調(diào)試，調(diào)試到崩潰。咋能偷點(diǎn)懶呢？ 拿來神奇的仿真軟件，click、click、click... ... ...OK。三下五除二整出了下面這個漂亮的頻響曲線，藍(lán)色的那條是設(shè)計好的。怯怯地說一句，偷懶了，直接拷貝的老圖，沒重新做圖，直接被拍飛........。

完工了？真的完工了嗎？呃，別高興太早，一大群邪惡的Bug正在排隊(duì)趕來準(zhǔn)備挖坑呢。象下圖這樣，磁珠和電容后面拉出來的那條小尾巴，你把它放哪里？拉多長？ 拉線太長了肯定不太好，地球人都知道。試想一下，如果這個小尾巴剛好通過電路板入口電源銅皮正上方會怎樣？ 所以相鄰的平面層要考慮，如果你把它放在表層，那它下面緊鄰的平面層最好是GND。如果安排在內(nèi)層呢？內(nèi)層電源平面層往往被分割的很亂，如果這種磁珠濾波器用的比較多，那可能放不下。平面層放不下就得放信號層，問題又來了，夾在上下兩個平面之間，而且旁邊會有其他信號線。這都是坑，要小心處理。

這個問題仿真能解決磁珠和電容的選型問題，規(guī)避那些坑就不能靠仿真了，只能Layout時，認(rèn)真進(jìn)行設(shè)計控制。

第4類問題

需要進(jìn)行風(fēng)險監(jiān)控的細(xì)節(jié)問題

有句老話怎么說來著？魔鬼隱藏在細(xì)節(jié)中！對，是魔鬼，絕對是魔鬼！不少魔鬼會讓你不得不激情高昂的去加班去返工。 PCB是一個立體結(jié)構(gòu)，不要總用平面思維去看待PCB。不羅嗦，上圖，自己看。俺課件中摘出來的圖片，話說每次講課這張圖我都會講好長時間。

第5類問題

需要Layout前整體規(guī)劃的問題

不羅羅索索的說教了，整的跟個唐僧似的招人煩，和老于一起重溫一下很久以前經(jīng)歷的一件事。歷史上的某天，某君打來電話，給老于出了道難題，醬紫的......。 某君：于博士，我有塊板子要投板，有點(diǎn)不放心，想讓你看看行不行。 老于：啥情況，說說！ 某君：板子上有10G差分接口，有DDR3。 老于：10G是單lane的還是接口的......。 某君：單lane。 老于：好，知道了，你繼續(xù)。 某君：我把10G差分對走在了靠近top的幾個內(nèi)層，DDR3信號線走的是靠近bottom的內(nèi)層。 老于：咋不把10G差分對放在靠bottom的內(nèi)層？有風(fēng)險，調(diào)一下走線層吧！ 某君：差分對線寬線距定了，要調(diào)到下面幾層，阻抗沒法控制100歐...... 老于：你DDR控制到40幾歐？ 某君：是。 老于：和板廠溝通，重新定一個層疊就行了唄，這不費(fèi)多少精力。 某君：層疊都定好了，不能改了。 老于：打下背鉆吧。 某君：BGA下的孔太小，怕不安全。 老于：... ... 好糾結(jié)的困局，這點(diǎn)事如果畫板子之前整體做個規(guī)劃，哪些信號走哪個信號層，哪個平面層放GND，哪個平面層放電源，也就沒這么糾結(jié)了。 本來沒坑，自己給自己挖了一個。 類似問題還有很多，別小看這個，整體規(guī)劃可以規(guī)避很多不必要的麻煩。

在此特別感謝本次文章原創(chuàng)作者于博士，于博士是著名實(shí)戰(zhàn)型信號完整性設(shè)計專家，同時是《信號完整性揭秘--于博士SI設(shè)計手記》一書作者。