PCB信號(hào)仿真之為什么DDR走線要同組同層？
發(fā)布時(shí)間：2022-12-01 09:16
作者：一博科技高速先生成員 劉春
隨著信號(hào)速率的不斷提高，對(duì)信號(hào)時(shí)序的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。在PCB設(shè)計(jì)中，我們等長(zhǎng)的最終目的都是為了等時(shí)，以滿足信號(hào)的時(shí)序要求。因此，需要我們對(duì)信號(hào)在傳輸線上的時(shí)延有一定的了解，下面小編將會(huì)通過(guò)理論分析和利用SIGRITY軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證跟大家一起深入的了解信號(hào)在傳輸線上的時(shí)延情況。
時(shí)延
這里指的是傳輸線上的時(shí)延，即信號(hào)在通過(guò)整個(gè)傳輸線所用的時(shí)間。
信號(hào)的傳輸速度
從時(shí)延的描述上，不難發(fā)現(xiàn)必然還會(huì)存在兩個(gè)不可或缺的量，哈哈，不用說(shuō)相信大家已經(jīng)知道了，那就是信號(hào)的傳輸速度和傳輸線的長(zhǎng)度。長(zhǎng)度這里自不必說(shuō)，這里我們需要重點(diǎn)關(guān)注的是信號(hào)的傳輸速度。當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳輸時(shí)，其速度就取決于信號(hào)傳輸線在其周圍介電特性環(huán)境中電場(chǎng)和磁場(chǎng)建立的速度。可用如下關(guān)系式描述：
而真空中光速表示為：
因?yàn)閹缀跛蟹氰F磁性材料相對(duì)磁導(dǎo)率都為1，所以介質(zhì)中信號(hào)的速度可簡(jiǎn)化為：
到這里，想必大家都發(fā)現(xiàn)了，我們常常聽(tīng)到的信號(hào)在傳輸線中的傳輸速度可以用6mil/ps來(lái)估算的原因了吧。因?yàn)榇蠖鄶?shù)板材聚合物的介電常數(shù)都在4左右，通過(guò)上述簡(jiǎn)化后的關(guān)系式可輕松得出信號(hào)在傳輸線上的大致傳輸速度，約6mil/ps。
從上面的關(guān)系式，我們還可以知道板材的介電常數(shù)是決定信號(hào)傳輸速度的主要因素，介質(zhì)的介電常數(shù)越大，信號(hào)的傳輸速度越慢，反之則越快。在知道了信號(hào)的傳輸速度之后，那我們傳輸線的時(shí)延自然也就知道了哈。時(shí)延計(jì)算可用如下關(guān)系式表示：
其中，TD表示信號(hào)在傳輸線上的時(shí)延，Len表示傳輸線的長(zhǎng)度，v表示信號(hào)的傳輸速度。
通過(guò)上面的信息，相信大家對(duì)信號(hào)的傳輸都有了一定的了解了，下面我們利用Sigrity當(dāng)中的Sigrity Topology Explorer套件來(lái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，跟大家一起進(jìn)一步加深對(duì)傳輸線時(shí)延的了解。
微帶線與帶狀線
創(chuàng)建的微帶線與帶狀線簡(jiǎn)易傳輸鏈路模型如下圖所示：
對(duì)微帶線與帶狀線仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這里為了便于對(duì)比分析，將介質(zhì)DK設(shè)為4，傳輸線線長(zhǎng)設(shè)為1inch。
微帶線參數(shù)設(shè)置：
帶狀線參數(shù)設(shè)置：
在設(shè)置完參數(shù)信息后，還可以查看生成的傳輸線信息，相信細(xì)心的朋友已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，在生成的傳輸線信息中就包含了傳輸線單位長(zhǎng)度的時(shí)延信息，那這里我們是不是可以驗(yàn)證一下軟件的時(shí)延是不是與我們前面的公式計(jì)算相吻合呢？為了計(jì)算方便，這里我們以帶狀線為例，由上圖可知帶狀線的時(shí)延為6671.28ps/m，換算后約169.45 ps/inch，公式計(jì)算結(jié)果169.49ps/inch，結(jié)果非常接近。完成模型及參數(shù)設(shè)置后得到的仿真結(jié)果如下圖所示：
在上圖微帶線和帶狀線的仿真結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩者到達(dá)接收器的時(shí)間相差了約12.5ps，可知微帶線傳輸速度比帶狀線的傳輸速度要快，那是什么原因?qū)е碌哪?？相信大家已?jīng)有了答案了。
根據(jù)前面?zhèn)鬏斔俣裙娇芍殡姵?shù)是決定信號(hào)傳輸速度的主要因素，介質(zhì)的介電常數(shù)越大，信號(hào)的傳輸速度越慢，反之則越快。微帶線的一面有參考層一面沒(méi)有參考層，在沒(méi)有參考一面是綠油和空氣，其中空氣的介電常數(shù)接近似為1，導(dǎo)致微帶線的周圍環(huán)境整體的有效介電常數(shù)低于4，使得微帶線的傳輸速度比帶狀線的傳輸速度更快。
前面已經(jīng)對(duì)比過(guò)軟件得出的時(shí)延與我們公式計(jì)算的時(shí)延結(jié)果相吻合，那這里也可以從生成傳輸線單位長(zhǎng)度的時(shí)延信息去與我們的仿真結(jié)果做一個(gè)驗(yàn)證，看看兩者的結(jié)果是否同樣吻合。
從上面生成傳輸線單位長(zhǎng)度的時(shí)延信息中我們知道了微帶線的單位長(zhǎng)度時(shí)延是6168.09ps/m，帶狀線的單位長(zhǎng)度時(shí)延是6671.28ps/m，換算后微帶線的單位長(zhǎng)度時(shí)延是156.67 ps/inch，帶狀線的單位長(zhǎng)度時(shí)延是169.45ps/inch，兩者相差12.78ps，與仿真結(jié)果的12.5ps相吻合。
上述，我們通過(guò)理論和仿真的驗(yàn)證分析，知道了在線長(zhǎng)相等的情況下微帶線和帶狀線會(huì)存在時(shí)延差異以及導(dǎo)致差異的原因，那在布線設(shè)計(jì)中，對(duì)于一些速率較高，時(shí)序要求嚴(yán)格的信號(hào)，如DDR的數(shù)據(jù)信號(hào)，建議采用同組同層進(jìn)行布線的原因之一正是如此。
