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高速PCB_PDF_第1章 互连设计的重要性.pdf

高速PCB_PDF_第1章 互连设计的重要性

xiao_20141220
2010-08-19 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《高速PCB_PDF_第1章 互连设计的重要性pdf》,可适用于IT/计算机领域

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ps(在ps的时间里光将传输英寸)。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。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s或s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(如图所示)来进行通讯这里高电平代表低电平代表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。为了最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最少。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van高亮van高亮van高亮中国PCB技术网翻译整理夹湾沟、阿鸣图、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最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最大的频率成分因此人们能像图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ps的边沿相当于在信号在线路上传播in长度的时间。通常认为,任何超过相当于边沿时间的走线都必须被看作传输线。图:上升时间和线路长度。van高亮van高亮van高亮中国PCB技术网翻译整理夹湾沟、阿鸣高速设计中最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最后设计还是要求助于臆测。处理所有变数的最后步骤通常是最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最终改为得到一些"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最少。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,即使图中最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:莫尔定律。中国PCB技术网翻译整理夹湾沟、阿鸣图: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。互连设计的重要性基础知识过去和将来

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