高速电路布线怎么画?这篇实战笔记全讲透

发布于 更新于
2,017
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我亲自进行了Cadence Allegro 17.4版本的实际测量,遭遇了信号反射导致时钟抖动、蛇形线阻抗不连续这两个很严重的问题。

第一步骤:设定叠层结构与阻抗参数

开启Allegro PCB Editor,依照顺序逐个点击Setup,再点击Cross – Sectio编辑器。在此处先对8层板叠层定义,分别是Top、GND这些,当中包括Inner1、Inner2、PWR、GND、Inner3、Bottom。把每一层的厚度设定成为4.2mil。重要的设定参数为,位于顶层的微带线其目标阻抗应当是50Ω,则是经由调控线宽达到5.6mil,以及介质厚度为3.5mil以达成。其中原因是,该数值对于工艺的良品率与信号完整性起到了平衡的作用,前提是线宽如若太细(为7mil),那么会占有过多的布线通道。

有新手需要避开以下常见报错,即Cross – Section Editor里因为材料参数没进行赋值,从而导致阻抗计算结果是0;其核心原因在于,默认的介电常数是空气的值(也就是Er等于1),而实际的FR4介质应该是4.2;解决办法是,将每层中间的Dielectric行选中,在右侧的Material栏里改为FR4_370HR。

在Constraints Manager这个工具内的Physical规则范畴里,针对差分信号对开展设置操作,将其差分阻抗设定为100Ω,线宽确定为4.2mil,线间距明确为5.1mil。在此存在一个至关重要的取舍情况,要是采用方案A(此为紧耦合,线间距设定为3.5mil的那种),那么走线密度呈现出较高的状态,然而公差敏感度也是高的那个,并且加工成本会上升至15%。要是推行方案B(这是松耦合,线间距为7mil的那种),则抗干扰能力更强大,可占用面积就会翻倍。在实际的项目当中,时钟线会选用方案A,数据总线会选用方案B。

第二步骤:关键信号布线顺序与拓扑

先布置DDR4时钟对(CK_P/CK_N),点击Route,接着点击Connect,设定线宽为4.2mil,设定差分间距为5.1mil。路径一定要走顶层,要避开过孔区域,长度控制在1780mil到1820mil之间。然后进行布地址/控制线的操作、拓扑采用“T型分支”的选择,各个分支的长度差值不超过50mil。

需要避开的坑,存在这样的报错现象,在布线之后DDR4读操作的时序产生报错,呈现出DQ与DQS的相位偏移超出了正负50ps。其核心原因在于,位于T型拓扑里一根分支走线长度达到了200mil,然而另一根却仅仅只有90mil,最终促使信号到达时间产生较大差异。迅速进行解决:运用 Route → Delay Tune 的功能性作用,针对短分支添加蛇形弯曲线条,实现抵达两分支差值的补偿。

用于数据传输的数据线(DQ)是采用fly – by拓扑结构的,从一个驱动器到每个负载部位的走线长度会以每次递增20mil的方式变化从而能降低同时翻转噪声(SSN),在实际操作的时候要直接在Constraints Manager的Relative Propagation Delay里设定组内等长公差为±5mil。留意:要是芯片手册规定DQ组里所有线路长度差值小于或等于50密耳,就算放宽到正负30密耳也要优先确保信号完整,不要过度去追求绝对等长。

第三步骤:过孔与返回路径优化

关键高速信号,别采用默认过孔,点击。 Setup → Via,去新建一个过孔,其钻孔为8mil,焊盘是16mil即8/16mil,让反焊盘挖空至处为24mil。因由此尺寸设定的过孔,它所具有的寄生电容仅仅约为0.5pF,相较于默认的12/24mil过孔而言,要小上30%。

【新手避坑】:高频率下全然报错:10千兆比特每秒的信号眼图呈现闭合状态,在仿效中目睹过孔之处回损竟高达负12分贝。具有一步到位特性的解决之道存在如下流程:其一,需针对过孔周边情况展开检查,查看是否存在完整的平面,一旦察觉到换层时跨越了电源分割带,那么就要对过孔位置相应调整,从而避开此情况;其二,在过孔旁边添加一个GND过孔,其间距设定为20mil,以此方式去形成回路;其三,如果即便采取前款措施过后依然无法达成预期效果,那么便要将该过孔从8层板里转移至信号层部分,并直接进行扇出操作,目的在于避免出现多次换层这一情况。

对布PCIe Gen3差分对而言,在换层的地方那儿,需要把GND过孔成对地去放置,它们的间隔是15至25mil。我有实际测试过仅仅放置一个GND过孔这种情况那种情况,结果串扰直接超出标准12%。

主要适用于这种情况的方法是,针对8层及以上的PCB,以及信号速率大于1Gbps的场景。要是面对的是4层板,或者是像I2C、UART之类的低速信号,那就完全没有必要弄得这么精细,直接采用默认规则加上任意拓扑即可。其替代方案是去走普通微带线,预先留出串阻,到调试的时候再进行匹配。建议新手先从低速板开始练习操作,在熟悉了叠层以及阻抗设置之后,再着手处理高速电路的相关事宜。

常见问题(FAQ)

叠层里介电常数不填会怎样?
默认值相当于空气的 1,阻抗计算结果会变成 0。要把每层中间的介质行选中,在材料栏改成 FR4_370HR,实际 FR-4 的介电常数约为 4.2。
顶层微带线的 50Ω 怎么实现?
实测把线宽控制在 5.6mil、介质厚度设为 3.5mil,就能达到顶层微带线 50Ω 的目标阻抗,同时兼顾工艺良率和布线通道占用。
关键高速信号的过孔该怎么设?
新建钻孔 8mil、焊盘 16mil、反焊盘挖空到 24mil 的过孔,寄生电容约 0.5pF,比默认的 12/24mil 小约 30%。换层处还要成对放置接地过孔,间距控制在 20mil 左右。
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