0 引言

    隨著芯片生產(chǎn)工藝的改進，信號的上升時間越來越短，信號中包含的高頻成分就越多，高頻分量和通道間相互作用就可能產(chǎn)生嚴(yán)重的信號完整性問題。如果在產(chǎn)品設(shè)計周期中能盡早確定和消除信號完整性問題，產(chǎn)品的研制效率就可大大提升。

    信號沿互連線傳播時受到的瞬時阻抗發(fā)生變化時，一部分信號將被反射，另一部分發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去，這一原理正是單一線網(wǎng)中多數(shù)信號完整性問題產(chǎn)生的主要原因。只要信號遇到瞬態(tài)阻抗突變，就會發(fā)生發(fā)射使信號質(zhì)量下降，一旦超出噪聲容限就會造成誤觸發(fā)。

    保持互連傳輸線阻抗恒定、進行端接匹配、優(yōu)化拓?fù)?/a>結(jié)構(gòu)等措施均是為了得到更優(yōu)的信號質(zhì)量。文中對信號反射問題進行了理論分析，提出信號反射噪聲的改善方法，并結(jié)合工程案例進行了信號完整性仿真驗證。

1 信號反射的形成

1.1 信號反射形成機理

    信號沿傳輸線傳輸時，其路徑上每一處的瞬態(tài)阻抗發(fā)生改變時，一部分信號將被反射，另一部分信號將繼續(xù)向前傳輸。反射的信號量由瞬態(tài)阻抗的變化量決定。瞬態(tài)阻抗發(fā)生改變的地方稱為阻抗突變點，即為圖1中區(qū)域1和區(qū)域2的交界面。其中，Z₁表示信號最初所在區(qū)域的瞬態(tài)阻抗，Z₂表示信號進入?yún)^(qū)域的瞬態(tài)阻抗^[1]。

    在阻抗突變處，電壓和電流連續(xù)，即滿足：

    無論是發(fā)送端還是接收端，最終得到的波形都是入射波形和反射波形疊加的結(jié)果。

1.2 傳輸線不連續(xù)結(jié)構(gòu)及阻抗突變測試TDR

    阻抗突變也就是瞬態(tài)阻抗不連續(xù)。高速電路的不連續(xù)結(jié)構(gòu)很常見，主要是互連線中的封裝引線、輸入門電容、信號層間的過孔、拐角、樁線、分支、測試焊盤、返回路徑上的間隙、過孔區(qū)域中的頸狀、線交叉、連接件等。

    TDR(Time Domain Reflectometry)測試，是測量高速信號在傳輸線上的時域反射狀況，來判斷傳輸線阻抗特性的技術(shù)。TDR包括一個階躍脈沖發(fā)生器和一個高速采樣器，其示意如圖2所示^[2]。

    因為入射的階躍脈沖的幅度是已知的，所以只要測量反射階躍脈沖的幅度，就可以找出反射系數(shù)ρ，若儀器的輸出阻抗Z₀是已知的，就可以計算反射點的阻抗值Z，阻抗計算公式為：

    計算原理如圖3所示，測試出的TDR阻抗曲線如圖4所示。

1.3 信號反射的幾種典型波形

    信號反射典型的波形有：信號的振鈴現(xiàn)象，如圖5所示；信號邊沿存在臺階的波形，如圖6所示；信號邊沿存在回溝的波形，如圖7所示。

2 消除反射的措施

    消除反射的措施通常有：使導(dǎo)體的長度短于上升時間的傳輸長度、更改傳輸內(nèi)部的不連續(xù)結(jié)構(gòu)、端接匹配、優(yōu)化布線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。

2.1 使導(dǎo)體的長度短于上升時間的傳輸長度

    反射的影響與傳輸線的長度、信號上升下降沿有很大關(guān)系。一般要求T_D(T_D為信號源端到終端的傳輸延遲)應(yīng)小于信號脈沖邊沿上升時間的20%，這樣雖然信號到達負(fù)載端時產(chǎn)生了反射，但此時源端的信號正處于上升階段，這樣反射會在信號緩慢的上升過程中被吸收掉，從而不會影響信號電平的幅值，此時不需要進行端接匹配。

    其對應(yīng)的經(jīng)驗法則為：為了避免出現(xiàn)反射問題，不需要端接的傳輸線的長度滿足^[1]：

其中，L_max為傳輸線的最大長度(單位inch)，基底材料FR4。RT為信號脈沖邊沿上升時間(單位ns)。

    圖8是發(fā)送端和接收端器件均一致，僅傳輸線長度不同時，接收端波形仿真對比，可見傳輸線長度大于RT時，反射會有明顯影響。

    實際工程中，不同性質(zhì)的信號容忍的反射噪聲不同，并且往往走線較長，此時應(yīng)根據(jù)具體情況決定是否需要進行端接。

2.2 更改傳輸內(nèi)部的不連續(xù)結(jié)構(gòu)

    通過使用可控阻抗互連線、布線采用多分支最小影響的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化過孔形狀、優(yōu)化連接器形狀、最小化幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性等方法使阻抗連續(xù)。

2.3 消除反射的端接方案

    在信號的發(fā)送端或接收端進行端接匹配，消除一次反射或二次反射，從而使得源端或負(fù)載端反射系數(shù)為零。

    當(dāng)傳輸線的源端設(shè)計成與傳輸線的特征阻抗匹配時，稱為源端匹配，使傳輸線由于遠(yuǎn)端阻抗不連續(xù)引起的反射在源端被消除，當(dāng)反射到達源時，反射系數(shù)為0。如果端接電阻放在線的負(fù)載端，則稱之為終端匹配，此時負(fù)載端的反射系數(shù)是0。終端匹配有并聯(lián)匹配(上拉或下拉電阻進行匹配)、戴維南匹配、RC網(wǎng)絡(luò)匹配(并行AC端接)、二極管匹配等。下面就應(yīng)用較為廣泛且效果優(yōu)良的源端端接、RC網(wǎng)絡(luò)匹配以及主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采取的匹配端接方法進行討論及仿真驗證。

2.3.1 源端端接

    源端端接主要是串行端接方法，串行端接是通過在盡量靠近源端的位置串行插入一個電阻R_T(典型值為10 Ω到75 Ω)，使得輸出端緩沖器阻抗(R_D)與串聯(lián)阻抗(R_T)之和大于或等于線的特征阻抗(Z₀)，即設(shè)計成輕微的過阻尼^[2]。

    這種策略通過使源端反射系數(shù)為零從而吸收從負(fù)載反射回的信號。源端端接示意圖如圖9所示。

    串行端接優(yōu)點：每條線只需要一個端接電阻，可使阻尼振蕩和反射效應(yīng)減至最小。缺點：當(dāng)信號邏輯轉(zhuǎn)換時，源端信號會表現(xiàn)為半波幅度臺階架形狀，這種半波幅度的信號沿傳輸線傳播至負(fù)載端，又從負(fù)載端反射回源端，持續(xù)時間為2T_D。不管怎樣，影響緩沖器阻抗的因素有硅制造工藝變量、電壓、溫度、功率傳導(dǎo)因素、同時轉(zhuǎn)換噪聲等，這些變量使得很難保證緩沖器與線阻抗匹配^[3]。

    當(dāng)在終端上存在集總線型負(fù)載或單一元件時，即點對點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且接收端波形表現(xiàn)形式是振鈴過沖波形時，通常采用源端的這種串聯(lián)端接方法可高效解決問題。反之信號沿表現(xiàn)形式為臺階、回溝、上升沿高頻能量較低等波形，或者驅(qū)動分布負(fù)載時，通常該源端串聯(lián)終端不能很好地解決問題。

    圖10為采用源端端接后，某接收端波形明顯改善的前后對比仿真圖。

2.3.2 并行AC端接

    并行AC端接采用在負(fù)載端接一個并聯(lián)電阻和隔離電容，如圖11所示。

    采用并行AC端接，電容切斷了直流通路，消除了直流功耗。同時也不會產(chǎn)生其他并聯(lián)端接方式中高電平被拉低或低電平被抬高的現(xiàn)象，并能衰減信號中的高頻噪聲^[4]。AC端接要求鏈路上傳輸?shù)氖侵绷髌胶庑盘?比如時鐘信號、8B10B信號等)，不適合突發(fā)模式的數(shù)據(jù)傳輸。

    工程中阻容值的選擇，需要根據(jù)波形振鈴的振蕩頻率進行分析，其原理類似于設(shè)計一個帶阻濾波器，設(shè)置該AC端接RC電路的阻帶中心頻率：  

使得有用信號能夠無衰減地通過，而衰減掉特定頻率的高頻振蕩部分。

    但通常來說，波形的振蕩頻率通常很難準(zhǔn)確定位。可通過時域和頻域仿真的方法或者測量的方法得出該振蕩頻率。例如，某器件接收端信號的波形仿真如圖12所示。采集m₁～m₁₀共10個點，使用它們的橫坐標(biāo)的數(shù)值，計算其振鈴電流峰值周期T=m₂-m₁=m₄-m₃=m₆-m₅=m₈-m₇=m₁₀-m₉≈3.5 ns，振鈴電流峰值頻率約285 MHz。再次仿真PCB板上該器件電源供電網(wǎng)絡(luò)的阻抗曲線，如圖13所示，在284 MHz處有一個阻抗峰值，故推斷該阻抗峰值點對應(yīng)的頻率有可能是振蕩的干擾信號頻率。此外，使用測量的方法，比如采用阻抗測試儀、近場探頭測試頻譜的方法，在該頻點存在很強輻射，也能定位到該振蕩頻率。

    由于AC端接中心電容一直處于波動狀態(tài)，為使信號快速進入穩(wěn)定傳輸狀態(tài)，電容值的選擇應(yīng)使R_C時間常數(shù)τ遠(yuǎn)大于2倍的傳輸線延時^[4]，即：

    AC端接優(yōu)點：反射波吸收效率高，電阻上電壓降落幾乎為零，在分布負(fù)載和總線布線中均可使用，并且可解決的反射波形類型較多。缺點：RC電路的時間常數(shù)會使電路中存在反射，容值的選擇也不能太大，通常端接電阻R_T不大于傳輸線的特性阻抗Z₀，端接電容C_T選用20 pF～600 pF^[3]。阻容值的選擇不能僅依靠經(jīng)驗值，可結(jié)合仿真的方法得出，并根據(jù)特定情況進行權(quán)衡。

    圖14是接收端采用AC端接后，某接收端信號仿真波形前后對比圖(R_T=33 Ω，C_T=20 pF)。

2.3.3 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的端接匹配方案

    不同的拓?fù)浞植紝π盘柕挠绊懯欠浅ｏ@著的。當(dāng)存在多個接收負(fù)載甚至多個源時，優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使得瞬時阻抗盡量保持恒定，再配合使用端接匹配能夠使得信號較為完整。常用的PCB走線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有菊花鏈(Daisy Chain)結(jié)構(gòu)、Fly-by結(jié)構(gòu)、遠(yuǎn)端簇(Far-end cluster)結(jié)構(gòu)、星型(Star)結(jié)構(gòu)。

    (1)菊花鏈結(jié)構(gòu)

    菊花鏈結(jié)構(gòu)從發(fā)射端T出發(fā)依次到達各接收端R進行布線，阻抗比較容易控制，如圖15所示。連接每個接收端的短樁線stub需要較短，最好小于上升時間的1/8，因為stub表現(xiàn)為容性負(fù)載，它將會降低信號的上升時間。但通常情況stub較長，信號上升沿較短時，反射較大，此時需要進行端接匹配消除反射從而對信號進行改善。

    菊花鏈結(jié)構(gòu)中，有時中間分支的接收器信號很差，即使在鏈的末端使用了AC端接也解決不了問題^[4]。此時可以在每個分支中串聯(lián)一個阻尼電阻。多個接收器的反射信號在中間分支的各個接收器之間反復(fù)地反射震蕩疊加，該電阻、分支線、接收器輸入電容構(gòu)成RC網(wǎng)絡(luò)。電阻減小了電容的充電電流，使信號上升沿變緩，因此減小了反射，噪聲會明顯減小。由于前端分支反射較后級分支的反射大，故阻尼電阻阻值設(shè)定為：

    以某AOE信號為例，從發(fā)送端D1(SN74LVTH16245ADL)到接收端器件，由近及遠(yuǎn)連接的器件依次為D2(S29GL128)、D3(XC3S1400)、D4(XC3S1400)、D5(XC6SLX100)，匹配電阻為：R_T1=510 Ω；R_T2=82 Ω；R_T3=51 Ω；R_T4=33 Ω。因后端反射較小，R_T3和R_T3可以精簡省略掉而不影響信號邏輯電平判定。匹配前后的仿真波形見圖16。

    (2)Fly-by結(jié)構(gòu)

    Fly-by結(jié)構(gòu)是一種特殊的菊花鏈結(jié)構(gòu)，如圖17所示，由于其stub為0，因此有較好的信號完整性^[4]。然而，這種結(jié)構(gòu)“繼承”了菊花鏈結(jié)構(gòu)的缺點：各個接收端R存在延遲。對于負(fù)載端匹配，各處的信號均完整，只是幅度由于分壓有衰減。對于源端匹配，只要保證靠近源端的接收器后面的傳輸線的反射延遲小于信號上升沿RT，就可保證信號完整。如果傳輸線較長，則需要進行端接匹配，可以采取在遠(yuǎn)端上拉或者下拉電阻的方式。以DDR3(MT41系列)地址線為例，上拉R_L值為39.21 Ω，上拉電源電壓值為0.75 V，波形有明顯改善，如圖18所示。

    如果接收端采用的元器件型號不同，各個接收端反射較大，菊花鏈的端接方法在此同樣適用。

    (3)遠(yuǎn)端簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(T型分支結(jié)構(gòu))

    遠(yuǎn)端簇結(jié)構(gòu)，發(fā)射端T到A的長度遠(yuǎn)大于各個接收端R到A的長度，即所有的接收端都在反射端的遠(yuǎn)處并簇攏在一起，如圖19所示。這種結(jié)構(gòu)保證信號的關(guān)鍵在于各個分支要盡量等長，一般采用源端端接方式^[4]。這種結(jié)構(gòu)也叫T形分支結(jié)構(gòu)、等臂分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。分支等長情況下，波形質(zhì)量很好，如圖20所示；如果分支不等長，各個分支處接收端波形急劇惡化，如圖21所示。采取源端匹配R_T為22 Ω電阻后波形明顯改善，原波形邊沿回溝改善為邊沿單調(diào)，如圖22所示。

    (4)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    星型結(jié)構(gòu)，發(fā)射端T和接收端R共用一個中心節(jié)點A，其中T到A的距離短，R到A的距離較長，如圖23所示。通常采用各個分支單獨進行串聯(lián)端接，但是在星型結(jié)構(gòu)中串聯(lián)端接電阻R_T的選擇有一定的難度^[4]。

    串聯(lián)端接電阻選取有分支等長和分支不等長兩種情況。

    如果能夠保證各個分支等長，則串接電阻應(yīng)按照約束條件選取：

其中N為分支個數(shù)；Z_out為驅(qū)動器的輸出阻抗。如果輸出阻抗Z_out=10 Ω，且有3條支路，傳輸線的特性阻抗Z₀=50 Ω，那么端接電阻R_T=20 Ω。在這種等長配置下，每個支路的接收端接收到的信號波形都很理想。但是假如驅(qū)動器輸出阻抗Z_out=20 Ω，那么按照約束條件計算的端接阻值為R_T=-10 Ω，說明在這種情況下無法通過串聯(lián)端接的方式來使幾個接收信號達到較理想的質(zhì)量。

    如果不能保持各個分支等長(等長的約束增加了布線難度)，則串接電阻應(yīng)該按照下面的約束條件選取^[4]：

    按照上面同樣的參數(shù)，計算得到的端接電阻值為41.8 Ω。每個接收端信號的上升沿和下降沿不是很理想，有形成臺階的趨勢，分支路越多，這個臺階就會降低。因此，使用星型拓?fù)潋?qū)動多個負(fù)載時，有一定的限制，分支過多可能找不到合適的端接阻值。這和工程案例中的仿真結(jié)果也是一致的。

    采用星型結(jié)構(gòu)遵照的原則是如果走線較短，信號上升沿較緩慢，信號反射較小，該星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因便于PCB走線而優(yōu)先采用；如果該星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反射較大且在仿真情況下也未找到合適的匹配電阻，此時需改成菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其匹配方式可以消除反射。

3 結(jié)論

    本文首先分析了信號反射形成的原理，指出瞬態(tài)阻抗發(fā)生改變將會使得信號發(fā)生反射，列出信號完整性問題常見的反射波形，提出了解決反射常采用的端接策略，針對不同互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用有效的改善方法，并結(jié)合信號完整性仿真進行了驗證。

參考文獻

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作者信息:

袁金煥，王艷玲，楊  菊

(西安微電子技術(shù)研究所，陜西 西安710029)