高速電路連接器設(shè)計(jì)的并發(fā)開關(guān)噪聲資料下載

???在高速電路設(shè)計(jì)中，中國(guó)設(shè)計(jì)工程師通常不是特別了解連接器的互感特性在改進(jìn)信號(hào)完整性設(shè)計(jì)中的作用，本文將探討連接器設(shè)計(jì)和選擇中最難解決的問題：并發(fā)開關(guān)噪聲，并且揭示并發(fā)開關(guān)噪聲對(duì)高性能系統(tǒng)中使用的連接器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。 ???人們總是認(rèn)為系統(tǒng)中所有的工作都是由IC來完成的，當(dāng)然也包括相應(yīng)的軟件。而類似于IC封裝、電路板、連接器、電纜以及其它的離散元器件等無源器件只會(huì)降低系統(tǒng)性能，擴(kuò)大系統(tǒng)尺寸和增加系統(tǒng)成本。所以，系統(tǒng)中互連以及元器件的選擇和設(shè)計(jì)實(shí)際上就是將這些成分對(duì)系統(tǒng)造成的影響降到最低。因此大多數(shù)的IC 設(shè)計(jì)師通常將系統(tǒng)中不連接的所有部分(這通常是PCB設(shè)計(jì)師所涉及的內(nèi)容)歸結(jié)為寄生成分這樣一個(gè)籠統(tǒng)的范疇。 ???四種最主要的高速電路問題 ?? 選擇IC器件時(shí)，除了選擇合適的元器件以外，后續(xù)的電路板布局布線工作還要符合下列設(shè)計(jì)規(guī)則： ??1. 受控阻抗的PCB線; ??2.分支線上的信號(hào)延時(shí)小于最快信號(hào)上升時(shí)間的20%; ??3. 不連續(xù)性時(shí)間延時(shí)小于最快信號(hào)上升時(shí)間的20%; ??4.相鄰PCB線具有足夠的間距，確保信號(hào)串?dāng)_控制在可以接受的電平上; ??5. 合理的PCB分層設(shè)計(jì)確保相鄰的電源和地平面層之間的介質(zhì)很薄; ??6.每一個(gè)信號(hào)線下面都有連續(xù)的信號(hào)返回路徑。 ??即便PCB的布局布線做得非常好，事情仍然沒有那么簡(jiǎn)單。高性能系統(tǒng)中的每一個(gè)成分都需要優(yōu)化，確保符合整個(gè)系統(tǒng)在成本、性能和開發(fā)進(jìn)度等方面的要求。高性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的鏈，每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須符合要求，方能保證整個(gè)系統(tǒng)符合產(chǎn)品性能規(guī)范。 ??系統(tǒng)中的其它因素將如何影響系統(tǒng)性能?可能的問題通?？梢詺w結(jié)為兩種類型：時(shí)序問題和噪聲問題。信號(hào)完整性既包括時(shí)序問題也包括噪聲問題，然而噪聲問題更顯突出。 ?? 互連和元器件導(dǎo)致的信號(hào)完整性問題的四種類型： ??1. 單根網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量; ??2. 兩根或者更多網(wǎng)絡(luò)之間的信號(hào)串?dāng)_; ??3. 電源分布系統(tǒng)中的噪聲; ??4. 系統(tǒng)中元器件對(duì)外的電磁輻射。 ??除非特別關(guān)注，并且項(xiàng)目一開始就著手考慮了這些問題，否則上述四種類型的問題就會(huì)出現(xiàn)在高速產(chǎn)品中。本文將探討連接器(也包括IC封裝)的設(shè)計(jì)和選擇中最難解決的問題：并發(fā)開關(guān)噪聲(simultaneously switchingnoise)，并且揭示并發(fā)開關(guān)噪聲對(duì)高性能系統(tǒng)中使用的連接器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。 ???并發(fā)開關(guān)噪聲 ??對(duì)連接器和IC封裝來說，開關(guān)噪聲方面的高速性能要求是最難滿足的。開關(guān)噪聲屬于信號(hào)串?dāng)_，主要是由于連接器和IC封裝中相鄰環(huán)路(由信號(hào)與返回路徑構(gòu)成)之間的互感導(dǎo)致的。要使開關(guān)噪聲幅度最小，必須確保相鄰的信號(hào)路徑環(huán)路之間的互感小于一個(gè)允許的最大值。 ? ?測(cè)量BGA封裝中的并發(fā)開關(guān)噪聲。 ??當(dāng)信號(hào)通過連接器或者IC封裝傳播時(shí)，信號(hào)的波前(信號(hào)波形中跳變的成分)通過信號(hào)管腳構(gòu)成一個(gè)電流環(huán)路，就會(huì)耦合并且返回到信號(hào)的返回管腳上。每一個(gè)信號(hào)和對(duì)應(yīng)的返回路徑都可以構(gòu)成一個(gè)相似的環(huán)路。在任何兩個(gè)信號(hào)及其返回路徑構(gòu)成的環(huán)路之間都存在一個(gè)環(huán)路互感。 ??一個(gè)環(huán)路中的電流發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)在另外一個(gè)靜止(信號(hào)電流沒有變化)的環(huán)路中感應(yīng)出信號(hào)噪聲。而當(dāng)多個(gè)變化的信號(hào)線并發(fā)開關(guān)時(shí)，通過互感耦合到靜止環(huán)路的噪聲就會(huì)互相累計(jì)，因此稱為“并發(fā)開關(guān)噪聲”。圖2所示為五個(gè)數(shù)據(jù)線并發(fā)開關(guān)時(shí)測(cè)量到的一個(gè)靜止信號(hào)線上的并發(fā)開關(guān)噪聲。在這個(gè)實(shí)例里，靜止信號(hào)線上的噪聲是由該靜止環(huán)路與所有五個(gè)變化的環(huán)路之間的互感而造成的。 ??互感的計(jì)算 ??采用簡(jiǎn)單的模型可以很方便地估算出兩個(gè)信號(hào)環(huán)路之間允許的最大互感值。進(jìn)一步討論如何計(jì)算實(shí)際連接器中相鄰環(huán)路之間的互感。 ??當(dāng)信號(hào)通過連接器的一個(gè)管腳對(duì)時(shí)，在變化的信號(hào)通路上，信號(hào)的波前處會(huì)出現(xiàn)信號(hào)電流的突然變化。變化的電流會(huì)導(dǎo)致電壓噪聲并且感應(yīng)到相鄰的靜止信號(hào)環(huán)路上，這種感應(yīng)是由于兩個(gè)環(huán)路之間存在的互感引起的。這種靜止信號(hào)線上感應(yīng)出來的噪聲稱之為開關(guān)噪聲，這是由于這種噪聲只有當(dāng)電壓或者電流處于開關(guān)狀態(tài)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。 ?? 在靜止環(huán)路中感應(yīng)出的電壓噪聲可以近似為： ??表達(dá)式各項(xiàng)的意義為：Vn，靜止環(huán)路中的噪聲;Lab，變化環(huán)路和靜止環(huán)路之間的互感;△Ia，變化環(huán)路中的電流變化;Za，在變化環(huán)路與靜止環(huán)路的視在阻抗;Va，變化環(huán)路中的信號(hào)電壓;△t是信號(hào)的上升時(shí)間，表明電流開關(guān)的快慢。 ??選擇連接器或者IC封裝唯一可以影響的就是環(huán)路之間的互感，而環(huán)路中信號(hào)視在阻抗通常都在50歐姆左右，該阻抗值與上升時(shí)間及信號(hào)電壓一樣都是系統(tǒng)規(guī)范的一部分。 ??允許的開關(guān)噪聲幅度取決于噪聲分配。開關(guān)噪聲通常應(yīng)該小于信號(hào)擺幅的5%到10%，當(dāng)然噪聲的分配也取決于工程師的設(shè)計(jì)技巧，以及由誰來負(fù)責(zé)選擇連接器或者IC封裝。優(yōu)秀的信號(hào)完整性工程師的談判代表非常清楚：要找到一個(gè)具有足夠低互感的連接器或封裝將是多么的困難，所以他會(huì)盡可能地爭(zhēng)取一個(gè)更寬松的互感指標(biāo)，這樣做的結(jié)果勢(shì)必導(dǎo)致系統(tǒng)中其它部分的規(guī)格更加嚴(yán)格。 ? ?首先可以使用如下的值來開始這種估算： ??首先可以使用如下的值來開始這種估算：Vn/Va =5%，Za=50歐姆，t=0.5ns，由上述公式可計(jì)算出允許的最大互感值是1.2n ? ?連接器管腳的三維實(shí)體模型 ??確定上述應(yīng)用假設(shè)條件后，就相當(dāng)于對(duì)連接器或封裝的信號(hào)路徑之間允許的互感值施加了約束條件。當(dāng)然，在時(shí)間、成本費(fèi)用以及產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)之間權(quán)衡并且實(shí)施資源分配之前，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該運(yùn)用更加完善而全面的系統(tǒng)級(jí)仿真來考察究竟多大的互感可以確保設(shè)計(jì)成功，并且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成過多的負(fù)擔(dān)。因此，上面的估算僅僅是一個(gè)最初的預(yù)期值 ??事實(shí)上，上述估算過高地估計(jì)了允許的互感值，這是因?yàn)榧僭O(shè)靜止信號(hào)線上的噪聲僅僅是由一根相鄰的變化信號(hào)路徑的信號(hào)變化造成的。實(shí)際的情況下，通?？赡苡卸鄠€(gè)信號(hào)路徑并發(fā)變化，其中每一個(gè)開關(guān)的信號(hào)路徑都會(huì)對(duì)靜止信號(hào)線產(chǎn)生并發(fā)開關(guān)噪聲。根據(jù)連接器的設(shè)計(jì)，信號(hào)管腳之間實(shí)際允許的互感值通常只有上面估算值的一半到五分之一左右。 ??連接器管腳對(duì)之間或封裝引線對(duì)之間的互感值為1.2nH是不是太大?我們來看一個(gè)具體的實(shí)例，就會(huì)發(fā)現(xiàn)1.2nH實(shí)際上是一個(gè)很小的值，而對(duì)于實(shí)際的連接器或封裝需要做許多艱苦的工作才有可能減小該數(shù)值。 ?? 提取連接器的環(huán)路互感 ??在普通2mm間距的連接器模塊，這種連接器典型的管腳長(zhǎng)度大約是25mm左右。如圖3所示，評(píng)估互感的值，可以將連接器實(shí)際的物理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為保留導(dǎo)體所有幾何特性的三維實(shí)體模型。 ??采用三維場(chǎng)提取工具從導(dǎo)體的實(shí)體模型中提取出局部的電感矩陣。有關(guān)連接器電感特性方面的問題都包含在這一個(gè)電感矩陣中。矩陣對(duì)角線上的元素是其局部自感，而不在對(duì)角線上的元素則是每管腳對(duì)之間的局部互感。 ??20個(gè)管腳的連接器的完整電感矩陣如圖4所示。局部電感的概念在分析連接器和IC封裝的電氣性能方面非常有效。一個(gè)信號(hào)與另一個(gè)相鄰的信號(hào)之間共用同一個(gè)返回路徑的情況很常見。管腳對(duì)1和2是變化的環(huán)路(信號(hào)會(huì)發(fā)生跳變)，而管腳對(duì)2和3則是靜止的環(huán)路(信號(hào)不發(fā)生變化)。 ?? 這兩個(gè)路徑之間的互感為：LAB=(L31-L32) (L22- L21)-L22 ??連接器中的所有20個(gè)管腳的局部互感矩陣 ??從場(chǎng)提取工具產(chǎn)生的表格中，可以找到該連接器的下述電感值： ?? L31=7.9nH