淺析連接器設(shè)計(jì)中并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲題庫(kù)

1、淺析連結(jié)器設(shè)計(jì)中的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲題庫(kù)淺析連結(jié)器設(shè)計(jì)中的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲題庫(kù)7/7淺析連結(jié)器設(shè)計(jì)中的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲題庫(kù)連結(jié)器設(shè)計(jì)中的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲剖析【導(dǎo)讀】本文將商討連結(jié)器設(shè)計(jì)和選擇中最難解決的問(wèn)題：并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲，并且揭露并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)高性能系統(tǒng)中使用的連結(jié)器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。在高速電路設(shè)計(jì)中，中國(guó)設(shè)計(jì)工程師往常不是特別認(rèn)識(shí)連結(jié)器的互感特征在改良信號(hào)完好性設(shè)計(jì)中的作用，本文將商討連結(jié)器設(shè)計(jì)和選擇中最難解決的問(wèn)題：并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲，并且揭露并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)高性能系統(tǒng)中使用的連結(jié)器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。人們老是以為系統(tǒng)中全部的工作都是由IC來(lái)達(dá)成的，自然也包含相應(yīng)的軟件。而近似于IC封裝、電路板、連結(jié)器、電纜

2、以及其余的失散元器件等無(wú)源器件只會(huì)降低系統(tǒng)性能，擴(kuò)大系統(tǒng)尺寸和增添系統(tǒng)成本。所以，系統(tǒng)中互連以及元器件的選擇和設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是將這些成分對(duì)系統(tǒng)造成的影響降到最低。所以大部分的IC設(shè)計(jì)師往常將系統(tǒng)中不連結(jié)的全部部分（這往常是PCB設(shè)計(jì)師所波及的內(nèi)容）歸納為寄生成分這樣一個(gè)抽象的范圍。圖1：四種最主要的高速電路問(wèn)題選擇IC器件時(shí)，除了選擇適合的元器件之外，后續(xù)的電路板布局布線工作還要切合以下設(shè)計(jì)規(guī)則：受控阻抗的PCB線；分支線上的信號(hào)延時(shí)小于最快信號(hào)上漲時(shí)間的20%；不連續(xù)性時(shí)間延時(shí)小于最快信號(hào)上漲時(shí)間的20%；相鄰PCB線擁有足夠的間距，保證信號(hào)串?dāng)_控制在能夠接受的電平上；合理的PCB分層設(shè)計(jì)保證

3、相鄰的電源和地平面層之間的介質(zhì)很?。幻恳粋€(gè)信號(hào)線下邊都有連續(xù)的信號(hào)返回路徑。即使PCB的布局布線做得特別好，事情仍舊沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。高性能系統(tǒng)中的每一個(gè)成分都需要優(yōu)化，保證切合整個(gè)系統(tǒng)在成本、性能和開(kāi)發(fā)進(jìn)度等方面的要求。高性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)環(huán)環(huán)相扣的鏈，每一個(gè)環(huán)節(jié)都一定切合要求，方能保證整個(gè)系統(tǒng)切合產(chǎn)品性能規(guī)范。系統(tǒng)中的其余要素將怎樣影響系統(tǒng)性能？可能的問(wèn)題往常能夠歸納為兩種種類：時(shí)序問(wèn)題和噪聲問(wèn)題。信號(hào)完好性既包含時(shí)序問(wèn)題也包含噪聲問(wèn)題，但是噪聲問(wèn)題更顯突出。圖1所示為互連和元器件致使的信號(hào)完好性問(wèn)題的四種種類：1.單根網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量；2.兩根或許更多網(wǎng)絡(luò)之間的信號(hào)串?dāng)_；3.電源散布系統(tǒng)中的

4、噪聲；4.系統(tǒng)中元器件對(duì)外的電磁輻射。除非特別關(guān)注，并且項(xiàng)目一開(kāi)始就著手考慮了這些問(wèn)題，不然上述四種種類的問(wèn)題就會(huì)出此刻高速產(chǎn)品中。本文將商討連結(jié)器（也包含IC封裝）的設(shè)計(jì)和選擇中最難解決的問(wèn)題：并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲（simultaneouslyswitchingnoise），并且揭露并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)高性能系統(tǒng)中使用的連結(jié)器和封裝規(guī)格指標(biāo)的影響。并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲對(duì)連結(jié)器和IC封裝來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)噪聲方面的高速性能要求是最難知足的。開(kāi)關(guān)噪聲屬于信號(hào)串?dāng)_，主假如因?yàn)檫B結(jié)器和IC封裝中相鄰環(huán)路（由信號(hào)與返回路徑組成）之間的互感致使的。要使開(kāi)關(guān)噪聲幅度最小，一定保證相鄰的信號(hào)路徑環(huán)路之間的互感小于一個(gè)同意的最大值。圖2：

5、丈量BGA封裝中的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)連結(jié)器或許IC封裝流傳時(shí)，信號(hào)的波前（信號(hào)波形中跳變的成分）經(jīng)過(guò)信號(hào)管腳組成一個(gè)電流環(huán)路，就會(huì)耦歸并且返回到信號(hào)的返回管腳上。每一個(gè)信號(hào)和對(duì)應(yīng)的返回路徑都能夠組成一個(gè)相像的環(huán)路。在任何兩個(gè)信號(hào)及其返回路徑組成的環(huán)路之間都存在一個(gè)環(huán)路互感。一個(gè)環(huán)路中的電流發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)在此外一個(gè)靜止（信號(hào)電流沒(méi)有變化）的環(huán)路中感覺(jué)出信號(hào)噪聲。而當(dāng)多個(gè)變化的信號(hào)線并發(fā)開(kāi)關(guān)時(shí)，經(jīng)過(guò)互感耦合到靜止環(huán)路的噪聲就會(huì)相互累計(jì)，所以稱為“并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲”。圖2所示為五個(gè)數(shù)據(jù)線并發(fā)開(kāi)關(guān)時(shí)丈量到的一個(gè)靜止信號(hào)線上的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲。在這個(gè)實(shí)例里，靜止信號(hào)線上的噪聲是由該靜止環(huán)路與全部五個(gè)變化

6、的環(huán)路之間的互感而造成的?；ジ械挠?jì)算采納簡(jiǎn)單的模型能夠很方便地估量出兩個(gè)信號(hào)環(huán)路之間同意的最大互感值。進(jìn)一步議論怎樣計(jì)算實(shí)質(zhì)連結(jié)器中相鄰環(huán)路之間的互感。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)連結(jié)器的一個(gè)管腳對(duì)時(shí)，在變化的信號(hào)通路上，信號(hào)的波前處會(huì)出現(xiàn)信號(hào)電流的忽然變化。變化的電流會(huì)致使電壓噪聲并且感覺(jué)到相鄰的靜止信號(hào)環(huán)路上，這類感覺(jué)是因?yàn)閮蓚€(gè)環(huán)路之間存在的互感惹起的。這類靜止信號(hào)線上感覺(jué)出來(lái)的噪宣稱之為開(kāi)關(guān)噪聲，這是因?yàn)檫@類噪聲只有當(dāng)電壓或許電流處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。在靜止環(huán)路中感覺(jué)出的電壓噪聲能夠近似為：表達(dá)式各項(xiàng)的意義為：Vn，靜止環(huán)路中的噪聲；Lab，變化環(huán)路和靜止環(huán)路之間的互感；Ia，變化環(huán)路中的電流變化；Za

7、，在變化環(huán)路與靜止環(huán)路的視在阻抗；Va，變化環(huán)路中的信號(hào)電壓；t是信號(hào)的上漲時(shí)間，表示電流開(kāi)關(guān)的快慢。選擇連結(jié)器或許IC封裝獨(dú)一能夠影響的就是環(huán)路之間的互感，而環(huán)路中信號(hào)視在阻抗往常都在50歐姆左右，該阻抗值與上漲時(shí)間及信號(hào)電壓相同都是系統(tǒng)規(guī)范的一部分。同意的開(kāi)關(guān)噪聲幅度取決于噪聲分派。開(kāi)關(guān)噪聲往常應(yīng)當(dāng)小于信號(hào)擺幅的5%到10%，自然噪聲的分派也取決于工程師的設(shè)計(jì)技巧，以及由誰(shuí)來(lái)負(fù)責(zé)選擇連結(jié)器或許IC封裝。優(yōu)異的信號(hào)完好性工程師的談判代表特別清楚：要找到一個(gè)擁有足夠低互感的連結(jié)器或封裝將是多么的困難，所以他會(huì)盡可能地爭(zhēng)取一個(gè)更寬松的互感指標(biāo)，這樣做的結(jié)果必然致使系統(tǒng)中其余部分的規(guī)格更為嚴(yán)格。第

8、一能夠使用以下的值來(lái)開(kāi)始這類估量：第一能夠使用以下的值來(lái)開(kāi)始這類估量：由上述公式可計(jì)算出同意的最大互感值是1.2nVn/Va=5%，Za=50歐姆，t=0.5ns，圖3：連結(jié)器管腳的三維實(shí)體模型確立上述應(yīng)用假定條件后，就相當(dāng)于對(duì)連結(jié)器或封裝的信號(hào)路徑之間同意的互感值施加了拘束條件。自然，在時(shí)間、成本花費(fèi)以及產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)之間衡量并且實(shí)行資源分派以前，優(yōu)異的設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)運(yùn)用更為完美而全面的系統(tǒng)級(jí)仿真來(lái)觀察終究多大的互感能夠保證設(shè)計(jì)成功，并且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成過(guò)多的負(fù)擔(dān)。所以，上邊的估量只是是一個(gè)最先的預(yù)期值事實(shí)上，上述估量過(guò)高地預(yù)計(jì)了同意的互感值，這是因?yàn)榧俣o止信號(hào)線上的噪聲只是是由一根相鄰的變化信號(hào)

9、路徑的信號(hào)變化造成的。實(shí)質(zhì)的狀況下，往?？赡苡卸鄠€(gè)信號(hào)路徑并發(fā)變化，此中每一個(gè)開(kāi)關(guān)的信號(hào)路徑都會(huì)對(duì)靜止信號(hào)線產(chǎn)生并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲。依據(jù)連結(jié)器的設(shè)計(jì)，信號(hào)管腳之間實(shí)質(zhì)同意的互感值往常只有上邊估量值的一半到五分之一左右。連結(jié)器管腳對(duì)之間或封裝引線對(duì)之間的互感值為1.2nH是不是太大？我們來(lái)看一個(gè)詳細(xì)的實(shí)例，就會(huì)發(fā)現(xiàn)1.2nH其實(shí)是一個(gè)很小的值，而關(guān)于實(shí)質(zhì)的連結(jié)器或封裝需要做很多艱辛的工作才有可能減小該數(shù)值。提取連結(jié)器的環(huán)路互感在一般2mm間距的連結(jié)器模塊，這類連結(jié)器典型的管腳長(zhǎng)度大概是25mm左右。如圖3所示，評(píng)估互感的值，能夠?qū)⑦B結(jié)器實(shí)質(zhì)的物理設(shè)計(jì)變換為保存導(dǎo)體全部幾何特征的三維實(shí)體模型。采納三維場(chǎng)

10、提取工具從導(dǎo)體的實(shí)體模型中提拿出局部的電感矩陣。相關(guān)系結(jié)器電感特征方面的問(wèn)題都包含在這一個(gè)電感矩陣中。矩陣對(duì)角線上的元素是其局部自感，而不在對(duì)角線上的元素則是每管腳對(duì)之間的局部互感。20個(gè)管腳的連結(jié)器的完好電感矩陣如圖4所示。局部電感的觀點(diǎn)在剖析連結(jié)器和IC封裝的電氣性能方面特別有效。一個(gè)信號(hào)與另一個(gè)相鄰的信號(hào)之間共用同一個(gè)返回路徑的狀況很常有。管腳對(duì)1和2是變化的環(huán)路（信號(hào)會(huì)發(fā)生跳變），而管腳對(duì)2和3則是靜止的環(huán)路（信號(hào)不發(fā)生變化）。這兩個(gè)路徑之間的互感為：LAB=（L31-L32）+（L22-L21）-L22圖4：連結(jié)器中的全部20個(gè)管腳的局部互感矩陣。從場(chǎng)提取工具產(chǎn)生的表格中，能夠找到該

11、連結(jié)器的下述電感值：L31=7.9nHL32=10.9nHL21=10.9nHL22=19.9nHL41=6.3nHL42=7.9nH依據(jù)上述數(shù)值能夠計(jì)算出互感值是6nH。這就是共用同一個(gè)返回路徑的兩個(gè)信號(hào)路徑之間的互感值。與最先估量的1.2nH對(duì)比，6nH太大。假如應(yīng)用在這樣的設(shè)計(jì)環(huán)境下，能夠一定該連結(jié)器不可以正常工作。自然，假如有足夠的原因的確要在設(shè)計(jì)中運(yùn)用這類連結(jié)器，一種方法是保證每一個(gè)信號(hào)都有各自獨(dú)立的返回路徑。在這類狀況下，一個(gè)環(huán)路使用管腳1和2，而另一個(gè)環(huán)路則使用管腳3和4。兩個(gè)環(huán)路之間的互感以下計(jì)算：LAB=（L31-L32）+（L42-L41）這樣計(jì)算出來(lái)的互感值是1.4nH。

12、可見(jiàn)只是經(jīng)過(guò)為每一個(gè)信號(hào)供給各自獨(dú)立的信號(hào)返回路徑，就能夠?qū)㈤_(kāi)關(guān)噪聲減少四倍?？紤]到其余信號(hào)路徑信號(hào)同時(shí)變化的可能性，能夠看到即即是1.4nH這么小的值仍舊會(huì)產(chǎn)生3到5倍這么大的開(kāi)關(guān)噪聲。此刻已經(jīng)特別清楚，對(duì)高速設(shè)計(jì)而言，慣例的連結(jié)器依據(jù)舊規(guī)的用法明顯不可以知足要求。任何可能降低管腳對(duì)之間互感的可行方法都應(yīng)當(dāng)考慮。減小互感原則上能夠采納兩種方法來(lái)減少連結(jié)器的互感。1.要保證盡可能短的路徑。Packard-Hughes企業(yè)的GoldDot連結(jié)器、Thomas和Betts企業(yè)的MetalParticleInterconnect（MPI）連結(jié)器就是采納了這類重點(diǎn)技術(shù)。而Tessera企業(yè)推出的CSP

13、器件封裝的一個(gè)重要特點(diǎn)就是擁有特別短的引線長(zhǎng)度。在這些技術(shù)中總的引線長(zhǎng)度能夠縮短到1mm。只是引線長(zhǎng)度一項(xiàng)就能夠?qū)⑸线厡?shí)例中相鄰信號(hào)和返回路徑環(huán)路之間的互感減小為上述電感數(shù)值的二十分之一。要降低每一個(gè)信號(hào)與對(duì)應(yīng)的返回路徑的特點(diǎn)阻抗。環(huán)路之間的互感與最小環(huán)路的自感成比率，減小一個(gè)管腳對(duì)的環(huán)路自感就等于是降低信號(hào)通路的特點(diǎn)阻抗。SamTec企業(yè)的連結(jié)器就采納了這樣的技術(shù)，這類連結(jié)器采納又寬又短的引線作為返回路徑。所以，器件封裝向采納內(nèi)部返回路徑層的BGA封裝轉(zhuǎn)移，或許從單層金屬的TBGA向雙層金屬的TBGA封裝轉(zhuǎn)移。從上邊的實(shí)例中能夠看出，信號(hào)和返回路徑管腳的分派相同也能影響最后的信號(hào)路徑之間的互

14、感。關(guān)于一個(gè)確立的連結(jié)器來(lái)說(shuō)，管腳的選擇能夠用來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的性能。但是假如具備足夠的管腳做更為靈巧的信號(hào)和返回路徑分派，那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師往?？倳?huì)選擇分派更多的信號(hào)管腳。對(duì)連結(jié)器廠商供給參數(shù)的評(píng)估假定已經(jīng)對(duì)電路板設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，并且已經(jīng)估量出相鄰信號(hào)環(huán)路之間同意的最大互感值，那么，要告訴元器件廠商：所需要的連結(jié)器一定保證相鄰信號(hào)環(huán)路之間的互感值小于1nH。連結(jié)器廠商和IC封裝廠商往常都在機(jī)械工程和生產(chǎn)制造方面特別精湛，但不是特別認(rèn)識(shí)相關(guān)的電氣特征，甚至可能其實(shí)不知道他們應(yīng)當(dāng)供給連結(jié)器的互感特點(diǎn)。有的時(shí)候，這些器件廠商也供給管腳對(duì)之間的串?dāng)_電壓信息。正如前面所看到的那樣，這些值跟信號(hào)的上漲時(shí)間、阻抗以及信號(hào)和返回路徑對(duì)的分派都有很大關(guān)系。假如廠商給出特別狀況下的值與你的詳細(xì)應(yīng)用要求不相同的話，該怎樣評(píng)估這些值？用戶老是主動(dòng)去獲取所需要的精準(zhǔn)信息，即信號(hào)與返回路徑環(huán)路之間的互感。并且應(yīng)當(dāng)向元器件廠商明確提出這是特別重要的一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，假如元器件廠商不供給這些信息的話，你就不可以夠評(píng)估廠商供給的元器件可否在你的設(shè)計(jì)應(yīng)用中正常工作？假如廠商供給了這些指標(biāo)，也能夠進(jìn)一步地查明廠商是怎樣獲取這些參數(shù)的：是經(jīng)過(guò)丈量仍是經(jīng)過(guò)計(jì)算？假如是經(jīng)過(guò)丈量方法獲取的話，廠商能否采納了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的丈量流程？假