線路設(shè)計(jì)是電路板設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵因素。本章提供通用的線路設(shè)計(jì)指導(dǎo)以及包括StratixTMGX開發(fā)板示例在內(nèi)的設(shè)計(jì)示例。

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1.1 設(shè)計(jì)指導(dǎo)

差分對的阻抗由下面所列阻抗確定：

l 每條接地線的阻抗

l 由于兩條線的耦合產(chǎn)生的阻抗，感性的和容性的。

差分對應(yīng)選擇緊耦合方式布線。寬線可以減小金屬內(nèi)的電阻損耗，因此應(yīng)使用設(shè)計(jì)允許的最大線寬。差分對邊緣到邊緣之間的距離至少應(yīng)是線寬的3倍（3W），這樣可以降低串?dāng)_。為獲得最好的效果，該設(shè)計(jì)應(yīng)該使用2D電磁場解算器（field solver）來驗(yàn)證，并且應(yīng)該對場進(jìn)行分析。Altera應(yīng)用通過仿真來提供幫助。

1.1.1 設(shè)計(jì)示例1

設(shè)計(jì)示例1的配置為一條均勻的帶狀線，參考平面，信號(hào)和另一個(gè)參考平面。圖28為兩個(gè)取樣差分信號(hào)對，它們的RLGC參數(shù)利用2D電磁場解算器（field solver）來提取。這兩個(gè)差分對并行傳輸，間距為3W。

圖28 兩個(gè)差分對并行傳輸

該例中線路的量綱見表1所列。

進(jìn)行模擬時(shí)使用的RLGC參數(shù)如下：

l + Lo = 3.56013914223368e-007 5.36184274667006e-009 3.563779234163063e-007

l + Co = 1.339953702128462e-010 -2.02513540100207e-012 1.339283788059507e-010

l + Ro = 7.71501953506781 0.07953628386667984 7.71501953506804

l + Rs = 0.001551635604701119 1.982986965540932e-005 0.001501872172761996

l + Gd = 1.266487562542408e-011 -1.886481164851002e-013 1.264473093423482e-011

此處：

Lo為特征電感

Co為特征電容

Ro為特征電阻

RS為趨膚效應(yīng)的電阻

Gd為分流電導(dǎo)

下面，我們使用趨膚效應(yīng)的電阻和電感圖來驗(yàn)證變量W。

圖29所示的趨膚電阻圖顯示了兩個(gè)差分對的對稱曲線，每條線的阻抗以同等程度增加。圖29的電感圖顯示電感值在GHz區(qū)域變?yōu)樗?，從而?yàn)證了W模型。

圖29 趨膚電阻和電感

圖30顯示了以3.125Gbps傳輸?shù)?V差分信號(hào)以及在較近和較遠(yuǎn)線路上的差分信號(hào)的串?dāng)_。

圖30 設(shè)計(jì)示例1的串?dāng)_分析

在該設(shè)計(jì)中，串?dāng)_相當(dāng)?shù)汀＿@兩個(gè)差分對之間的距離（如果保持在4W內(nèi)）也對性能的提高有所幫助。在一條線路上的串?dāng)_比在另一條上高得多，這就是為什么緊耦合配置的性能會(huì)更好。串?dāng)_是共模信號(hào)。在該例中，線路是松耦合。

1.1.2 設(shè)計(jì)示例2

該設(shè)計(jì)示例的配置為Altera的Stratix GX開發(fā)板，參考平面，分析信號(hào)層，另一個(gè)信號(hào)層，以及另一個(gè)參考平面。在該例中，兩個(gè)間距為4W的差分對并行傳輸。圖31為兩個(gè)取樣差分對。

圖31兩個(gè)并行傳輸?shù)牟罘謱?/strong>

該例中線路的量綱見表2所列。

進(jìn)行模擬時(shí)使用的RLGC參數(shù)如下：

l + Lo = 3.409401825607018e-007 5.501449141453253e-009 3.411299966934827e-007

l + Co = 1.402335722941969e-010 -2.269774507704326e-012 1.402148942746481e-010

l + Ro = 7.715019535067469 0.0795362838666642 7.715019535068349

l + Rs = 0.001607898658567327 2.580280598723906e-005 0.001558791954817931

l + Gd = 1.327358599905988e-011 -2.15902867236468e-013 1.329113742424896e-011

此處：

Lo為特征電感

Co為特征電容

Ro為特征電阻

RS為趨膚效應(yīng)的電阻

Gd為分流電導(dǎo)

圖32的趨膚電阻圖顯示了兩個(gè)差分對的對稱曲線，該圖表明阻抗線性增加。電感圖顯示電感值在GHz區(qū)域變?yōu)樗健?/p>

圖32 趨膚電阻和電感圖

圖33為以3.125Gbps傳輸?shù)?.0V差分信號(hào)，以及在較近和較遠(yuǎn)線路上的差分信號(hào)的串?dāng)_。

圖33設(shè)計(jì)示例2的串?dāng)_分析

圖33為原始的1.0V差分信號(hào)以及離該差分對較近和較遠(yuǎn)線路上的串?dāng)_。串?dāng)_非常?。ㄔ谖⒎秶鷥?nèi)）。應(yīng)該保持差分對的間距為4W，這樣耦合量才非常小。但在設(shè)計(jì)示例1中，保持差分對的間距為3W時(shí)也非常有效。

1.2 配置選項(xiàng)

在電路板上采用帶狀線配置與采用微帶線配置相比，高速信號(hào)應(yīng)用的性能會(huì)更好。帶狀線電路板配置提供更好的電路板輻射保護(hù)。在設(shè)計(jì)時(shí)可以使用不同類型的差分帶狀線配置（例如，寬邊耦合或邊緣耦合）

采用帶狀線電路板配置時(shí)，你可以采用多種配置來組織電路板層。例如，你可以使用以下配置：

l 寬邊耦合：參考平面，信號(hào)層，另一個(gè)信號(hào)層，以及后面的另一個(gè)參考平面。

l 邊緣耦合：參考平面，信號(hào)層，以及另一個(gè)參考平面

你可以利用提取的RLGC參數(shù)進(jìn)行模擬來比較這兩種配置的性能。

3.125Gbps信號(hào)通過這兩種配置進(jìn)行傳輸。圖34表明損耗相同。變量W擴(kuò)大到9英寸，因而每條線9英寸長。圖34顯示了這兩種配置在傳輸線之后的信號(hào)。

圖34配置選項(xiàng)A和B的損耗

1.2.1 相移最小化

為了避免相移，應(yīng)確保差分對的兩條線等長。如果在這兩條線之間存在相移并且如果這兩條線是松耦合，則線路可以按圖35所示設(shè)計(jì)。為了控制線路長度，這兩條線一起分開，一起回來。由于它們是松耦合的，阻抗只稍微受點(diǎn)影響。

圖35 蛇行線上的45°轉(zhuǎn)向

在使用蛇行線時(shí)，應(yīng)使用45°走線（見圖35）。圖36為另一個(gè)使用蛇行線的例子，但在使用圖36中的設(shè)計(jì)時(shí)，需確保相鄰線之間沒有耦合。將蛇行線用于高速應(yīng)用時(shí)，在任意點(diǎn)處都應(yīng)避免平行走線。見圖35中的示例。

圖36 蛇行線示例

圖37為緊耦合差分對的相移控制。由于線路是緊耦合的，當(dāng)線路分開然后回來時(shí)阻抗發(fā)生了變化。在緊耦合差分對中，相移匹配管腳電平端實(shí)現(xiàn)。

圖37 緊耦合差分對中的偏移控制

在相鄰信號(hào)層上設(shè)計(jì)線路時(shí)，這些線路不應(yīng)該相互交叉，除非它們幾乎是垂直的。相鄰信號(hào)層上的平行線將在線路間產(chǎn)生耦合。

1.2.2 高速信號(hào)的參考平面

與高速信號(hào)（200MHz或更高）相關(guān)的線路應(yīng)該與地平面而不是電源平面參考。不管設(shè)計(jì)中內(nèi)置的去耦合到何種程度，電源平面的噪音始終比地平面更多。參考電源平面會(huì)在高速信號(hào)上引入噪音。

高速信號(hào)的線路設(shè)計(jì)示例使用Stratix GX開發(fā)板。圖38為電路板層分布。信號(hào)從層1（即微帶線）開始，傳輸大約0.5英寸然后通過一個(gè)導(dǎo)通孔下到層13。在層13，信號(hào)又傳輸1.5英寸然后通過另一個(gè)導(dǎo)通孔返回到頂層，到SMA連接器。

圖38 Stratix GX電路板層配置

圖39為傳輸路徑的TDR。由過孔引入的容性不連續(xù)為0.7pF。由SMA連接器引入的容性不連續(xù)為1.196pF。帶狀線設(shè)計(jì)為50Ω單端，但在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生了一些誤差。電路板上的阻抗上升到56Ω。阻抗的不連續(xù)引起了反射。圖39顯示了：

l 差分對中其中一條線的TDR

l 差分對采用松耦合

l 兩條線間幾乎沒有耦合

l 導(dǎo)通孔

l 93mil厚的電路板

l 1/2oz厚和5mil寬的信號(hào)，間距為15mil

l 電介質(zhì)為FR4（εr＝4.25）

圖39 傳輸路徑的TDR

3.125Gbps（Stratix GX高速I/O）信號(hào)通過圖39中的線路發(fā)送。振幅設(shè)置為1,000mV（VOD）。圖40為從采樣示波器上獲得的合成信號(hào)。合成信號(hào)呈現(xiàn)矩形，上升時(shí)間非常陡，反射也非常小。但如果56Ω電阻下降到50Ω，信號(hào)看起來會(huì)更好。

圖40 眼圖，3.125Gbps，VOD=1,000mV

圖41為振幅增加到最大的相同信號(hào)（即，VOD＝1,600mV，預(yù)增強(qiáng)沒有使能）。

圖41 眼圖，3.125Gbps，VOD=1,600mV

在設(shè)計(jì)線路時(shí)，應(yīng)盡量減少傳輸線上元件的數(shù)量。如果這些元件是必需的，則選擇會(huì)引起最少的不連續(xù)量的元件。