基于某高速信号处理模块的信号完整性设计方法

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1、第40卷第2期2010年3月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．2Mar．20lO基于某高速信号处理模块的信号完整性设计方法邓豹，王文智，张静(中国航空计算技术研究所，陕西西安710068)摘要：信号完整性设计越来越成为高速电路设计成败的关键。基于某高速信号处理模块的设计经验，从器件选型、布局设计、叠层规划、电源地设计、时钟网络设计和布线要求等六个方面总结了信号完整性设计的工程化设计方法，并给出了高速串行信号特殊的设计要求。关键词：信号完整性；PCB设计；

2、高速电路中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：1671．654X(2010)02—0101．04引言随着电子技术的飞速发展，集成电路工作的时钟频率已达百MHz至GHz，信号切换时间已经小至ps量级，且随着系统设计的复杂性和集成度的大规模提高，PCB的布线密度和布线要求也越来越高。由高速电路产生的传输线效应和信号完整性问题经常会使基于传统方法设计的数字电路无法工作。高速电路的信号完整性设计已经成为影响设计成败的关键因素。因此说：“有两种设计师，一种是已经遇到了信号完整性的问题，另一种是即将遇到信号完整性

3、问题。”高速电路的信号完整性设计是一个复杂的系统工作，贯穿于设计的全过程，需要进行反复的仿真试验得出最优的结论。本文基于某信号处理模块的设计经验，总结了高速电路信号完整性设计的一般原则。1相关概念1．1高速电路通常认为，数字逻辑电路的频率达到或超过45MHz，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的分量，就称为高速电路。更深层次的含义指：数字信号的上升与下降时间(或称信号的跳变)非常之快，当信号的跳变时间小于6倍(有说4倍)的信号传输延时(也称电长度)时，即认为信号是高速信号，而与信号的频率无

4、关。1．2信号完整性(signalintegrity)信号完整性简言之是指信号在电路中以正确的时序和电压做出响应的能力，即信号的准确性和质量。所有信号完整性问题归结为下列4种特定的噪声源。a．网络中的信号质量问题：由于阻抗不连续所造成的单个网络内信号的质量问题；b．多通道系统中的串扰：多个网络之问由于耦合所造成的串扰问题；c．电源分配系统(PDS)中的轨道塌陷(RailCol—lapse)：电源层和地线层的阻抗不连续所造成的电源供电不连续的问题；d．来自系统其他部分的电磁干扰(EMI)问题。2某信号处理模块的

5、信号完整性设计要求该信号处理模块2片主处理器工作频率lGHz，总线包括串行RapidIO总线、DDR2总线(时钟频率266MHz)、EMIF总线(时钟频率160MHz)、PCI总线(时钟频率66MHz)、VME总线等。其中，RapidIO总线要通过交换芯片实现8路4通道3．125Gbps的传输。该模块高速信号重叠交叉，分布在整板的区域内，密度很大；加上板上复杂的时钟驱动、倍频，多达7种不同电源的供电设计等等，为该板的信号完整性设计带来严峻的挑战。下面结合模块的设计要求和经验，从器件选型、布局设计、PCB叠层规

6、划、电源地设计、时钟网络设计和布线要求等方面对全过程的信号完整性设计～般原则进行介绍。3高速电路信号完整性设计3．1器件选型设计初期的器件选型工作除了从系统组成结构、收稿日期：2009—06·17作者简介：邓豹(1979一)，男，河北辛集人，工程师，硕士，研究方向为计算机系统结构。航空计算技术第40卷第2期性能指标、器件要求等方面考虑外，还需兼顾成本、项目时间进度、技术成熟度等因素。单纯从信号完整性角度考虑，器件选型一般应遵循以下原则：a．器件选型提前考虑到器件布局和布线要求，必要时可根据模块面积将选型芯片进

7、行预布局。b．在相同性能指标前提下，尽可能选择低电压工作芯片，降低系统工作功耗。c．为了降低高频信号线的容性负载，尽可能选择表贴器件。d．为了有效节约板面面积，在满足性能和工艺要求前提下。尽可能选择小封装器件。3．2布局设计布局设计是PCB设计的重要环节，良好的布局可以有效降低布线难度，提高信号质量，减少信号完整性问题。布局过程中，要结合结构设计的尺寸要求和器件的布线要求，依次合理规划出主要器件的位置。在信号处理模块中，要以RapidlO交换芯片为中心构建高速互连网络。因此，首先要根据结构设计的尺寸要求和高速

8、串行信号连接的拓扑结构决定交换芯片的位置。交换芯片的位置确定后，可依次规划出主从处理器的位置。然后，围绕处理器布置其局部资源包括存储器、桥接器件、CPLD、驱动器等的位置。主要器件位置确定后，按照布局的原则合理规划时钟网络和电源转换电路的位置，最后根据要求放置电阻、电容等小型分立器件。布局设计中，一般应遵循以下原则：a．按照信号流向放置相关器件，使布线流畅，减少线间干扰。b．尽量把相关的高速器件放在