如何降低PCB玻璃纤维编织 对高频差动信号的影响VIP免费

如何降低PCB玻璃纖維編織對高頻差動信號的影響(上)高速數位系統中，有越來越多使用高頻差動信號於高效能硬體平台上的應用，關於IPC4101中所制定的電路板材質，對於使用高於2.5GT/s的高速差動信號做為傳輸的匯流排而言，有信號完整性問題存在，主要是因受限於電路板板材中的纖維編織方式所影響，此影響已被證明非同質的媒介被編織在一起時，確實影響在高速率數據傳遞上，造成信號偏斜失真，導致增加共模電壓和降低相應的差動信號。本文以PCIExpressGen2為例，表列出電路板中的纖維編織效應，整體上會在什麼情況下產生，及如何減輕它的影響和在什麼情況下可忽略此效應，並介紹「旋轉佈局圖像法」來有效的減輕信號偏斜效果；將來的高速數位系統產品，如高效能伺服器，電腦及任何使用高頻差動信號設計的產品，將可利用本文的分析結果，合併適當技術在電路板的關鍵相互連接信號上，以確保信號的傳遞失真達到最低。導論當電子工業在電子信號達到100MHz以上時，開始注意到電路板上的傳輸線對信號傳遞的影響，於是開始了解如何由電阻、電感及電容來解構傳輸線效應[1]，當電子信號達到1GHz以上後，電路板中的疊構（Stack-Up）材質，存在著不同參數設定，經由不同的細部設定，亦會影響信號的傳遞[2]，而在數位系統晶片中，隨著速度與頻率不斷的增加及超大型積體電路（VeryLargeScaleIntegratedCircuits；VLSI）的小型化，信號完整性（SignalIntegrity；SI）與系統電路板之間的關係，已經變成對於設計與驗證工程師上的一個主要問題；針對傳輸率大於2.5GT∕s的信號，已被證明非同質的媒介於電路板中被編織在一起時，確實影響高速差動匯流排的信號傳送[3][8]，所以我們需要了解電路板中的纖維編織效應，對於單端信號及差動信號而言，整體上會在什麼情況下產生，及如何有效的降低它的影響，我們將以SPICE模擬工具，進行準確的板級（BoardLevel）模擬，以列舉出信號於電路板中的纖維編織效應，進而解析及找出解決之道。本文結構如下。在一開始會介紹基本原理與問題探討，接下來描繪減輕纖維編織效應的解決方法，其後展現主要模擬結果，包含效應問題的還原及改善後的模擬拓樸。最後為結論。基本原理與問題探討電路板纖維編織的概述典型的印刷電路板（PCB），由於它的基本架構是由玻璃纖維結構編織以加強與環氧樹脂結合更為緊密，而玻璃纖維的相對介電常數（RelativeDielectricConstant；εｒ）不同於環氧樹脂的相對介電常數，對於高速差動信號在此結構上的傳遞而言，表現出一種非同質結合的媒介。如圖1[3]所示，有數種編織類型，相對於板邊，編織方法呈現水平和垂直兩種。差動對與編織剖面圖當差動對（DifferentialPair）及走線的寬度和間隔，與玻璃纖維布的尺寸一起比較時，PCB的非均勻介電值能引起在差動信號對之間，產生實際的信號傳遞的差別，如圖2[3]所示，為PCB中差動對與玻璃纖維布的編織剖面圖。差動信號與眼圖差動信號（DifferentialSignal）主要藉由兩條平行線傳遞數位資料，其中一條傳輸線載送正端信號（D+），另一條傳輸線載送負端信號（D-），如下圖3所示，其傳輸線阻抗主要是正端參考負端所得，常見的差動信號如USB，SATAandPCIE…等，皆以此技術傳遞信號；既然差動信號上的數位資料由正端信號與負端信號結合後獲得，而所合成的波形如圖4[4][9]所示，此圖為累計數千筆數位資料後所得波形，由於此圖看似眼睛，所以又稱「眼圖（EyeDiagram）」，眼圖中主要參數有寬度（eyewidth）與高度（eyeheight），寬度與高度所構成的區域大小，即為決定差動信號的品質所在，如圖5[4]所示，為高頻示波器中常用以量測眼圖時，所用的眼圖比對元件，此元件被用來比對的參數變數有：EarliestEdges，FallingLatestEdge，RisingLatestEdge，HighestVih，LowestVih，HighestVil，LowestVil，JitterandMask等9種參數變數。差動信號於非同質媒介中傳遞的潛藏問題FR4電路板基材（basematerial）由兩種媒介－玻璃纖維（Fiberglass）及環氧化物（Epoxy）－合成，且信號演變至今已達2.5GT∕s以上，所以我們便要思考，差動信號的兩條信號分別傳遞在此兩種媒介上的潛藏問題，其主要原因為兩種媒介的相對介電常數（R...