LVDS信号在PCB上的设计要点

1、2. LVDS言号在PCB上的设计要点LVDS言号被广泛应用于计算机、通信以及消费电子领域，并被以PCI-Express为代表的第三代I/O标准中采用，而在我们的项目中PCI-Express信号正是采用 的是LVDS言号。LVDS言号不仅是差分信号，而且还是高速数字信号。因此LVDS 传输媒质不管使用的是PCB线还是电缆，都必须采取措施防止信号在媒质终端发 生反射，同时应减少电磁干扰以保证信号的完整性。只要我们在布线时考虑到以上这些要素，设计高速差分线路板并不很困难。下面简要介绍LVDS言号在PCB上的设计要点：2.1布成多层板有LVDS言号的电路板一般都要布成多层板。由于LVDS 信号属于高

2、速信号，与其相邻的层应为地层，对 LVDS言号进行屏蔽防止干扰。 对于密度不是很大的板子，在物理空间条件允许的情况下，最好将LVDS言号与其它信号分别放在不同的层。例如，在四层板中，通常可以按以下进行布层：LVDS 信号层、地层、电源层、其它信号层。2.2 LVDS信号阻抗计算与控制。LVDS言号的电 压摆幅只有350mV适于电流驱动的差分信号方式工作。为了确保信号在传输线 当中传播时不受反射信号的影响，LVDS言号要求传输线阻抗受控，通常差分阻 抗为100+/-10 Q。阻抗控制的好坏直接影响信号完整性及延迟。如何对其进行 阻抗控制呢？ （ 1）确定走线模式、参数及阻抗计算。LVDS分外层微

3、带线差分模 式和内层带状线差分模式。阻抗可以通过合理设置参数，利用相关软件计算得出。 通过计算，阻抗值与绝缘层厚度成正比，与介电常数、导线的厚度及宽度成反比。（2）走平行等距线及紧耦合原则。确定走线线宽及间距后，在走线时严格按照 计算出的线宽和间距，两线的间距要一直保持不变，也就是要保持平行（可以放 图）。同时在计算线宽和间距时最好遵守紧耦合的原则，也就是差分对线间距小于或等于线宽。当两条差分信号线距离很近时，电流传输方向相反，其磁场相互 抵消，电场相互耦合，电磁辐射也要小得多。而且要两条线走在同一层，避免分 层走线。因为在PCB板的实际加工过程中，由于层叠之间的层压对精确度大大低 于同层蚀刻

4、精度，以及层压过程中的介质流失，不能保证差分线的间距等于层间 介质厚度，会造成层间差分对的差分阻抗变化。（3）走短线、直线。为确保信号的质量，LVD家分对走线应该尽可能地短而直，减少布线中的过孔数，避免差 分对布线太长，出现太多的拐弯，拐弯处尽量用 45°或弧线，避免90。拐弯。 不同差分线对间处理LVDS寸走线方式的选择没有限制，微带线和和带状线均可， 但是必须注意要有良好的参考平面。对不同差分线之间的间距要求间隔不能太 小，至少应大于3-5倍差分线间距。必要时在不同差分线对之间加地孔隔离以防 止相互间的串扰。LVDS言号尽量远离其它信号。LVDS差分信号不可以跨平面分 割。尽管两

5、根差分信号互为回流路径， 跨分割不会割断信号的回流，但是跨分割 部分的传输线会因为缺少参考平面而导致阻抗的不连续（如图所示，其中GND1GND为LVDS相邻的地平面）GNDIGND2图1:差分对线接收端的匹配电阻的布局。对 接收端的匹配电阻到接收管脚的距离要尽量靠近。同时匹配电阻的精度要控制。 对于点到点的拓扑，走线的阻抗通常控制在 100Q ,但匹配电阻可以根据实际的 情况进行调整。电阻的精确度最好是 1%-2 %。因为根据经验，10%的阻抗不匹 配就会产生5%的反射。三、串行LVDS信号的仿真分析以上分析了 LVDS言号设计时必须注意的事项，虽然在 PCB设计的时候一般都会 遵守以上的规则

6、进行，但是为了能够提高设计的正确性和准确行必须对 PCE进行 信号完整行仿真，通过仿真得到信号的串扰、延时、反射和眼图波形，从而达到 设计即正确的目标。信号完整性问题的仿真流程是先建立元器件的仿真模型，然后进行前仿真确定布线过程的参数和约束条件，物理实现阶段按照约束条件进行 设计，最后进行后仿真，验证设计是否满足设计要求。在整个流程中模型的精确 性直接影响仿真的结果，而在前仿真和后仿真阶段用到的仿真分析方法对于仿真 结果同样至关重要，而在本设计中采用了精确度较高的 spice模型。下面结合实 际的项目来说明仿真在本设计的实施过程。3.1.PCB叠层设置由上面的分析知道，PCB板的叠层设置和信号

7、的耦合以及阻抗计算都有着密切的 关系，所以在开始PCB设计之前必须进行叠层设计，然后进行信号的阻抗计算。 在本设计中的叠层设计见下图：ThcfenmHtlMkjk CmLjniLcpM TngMihagh INlliiw4vc*SfrKrONiqCAO DtHi 'SURFMT1*1icoaow15S (M4£CGl :SOQOicon>L54<1a0 751 OQQOOO)Bl10iTpOOOBOKS暮11CMEIUOJH 匕0 J5i mraJ曰曲1EDGE'&000«23>n60M&UOWtUCIjRD巧M MSCOM

8、 L->JOIJQOOGO4 DCS0巧1(oxmVE4CCOOi»GNDB0 75i anon巧1）1040000业馬14 .130再 OMtt)$axt皿畑15&曹 83010«951£uCDHDUCTIR| D751 oooooo3fiJDCO0 7(5EDGE 卜&COD1211? 10400000OO11Di wooodJIf打 m ” 亠 dm, i 丄54 aoooooan*EOTTOMCOHtJUCTJA1“1.41i onotfe対DMet<u i 產血mr1SUIVME图2:叠层设计由于PCB密度较高，本设 计采用1

9、0层板的叠层结构，经过合理的安排叠层厚度，通过 allegro计算，表 面微带和内层带状线的差分线在线宽 6血线间距6血时，阻抗理论计算值分别为 100.1和98.8 Q。符合阻抗控制要求。32设置直流电压值这一步骤主要是为某些特定的网络 （一般是电源地等）指定其直流电压值，确定 DC电压加在网络上，执行EMI仿真需要确定一个或多个电压源管脚，这些电压 值包涵了模型在仿真过程中使用的参考电压信息。3.3.器件设置在allegro仿真的时候allegro会把器件分成三大类：IC、连接器和分立器 件（电阻电容等），allegro会依据器件类型来给器件的管脚分配仿真属性，分 立器件和连接器的管脚属性

10、为 UPSPE，而IC的管脚属性可以为IN、OUT和BI3.4.模型分配在板级高速PCE仿真过程中主要用要的模型有器件模型和传输线模型。器 件模型一般是由器件生产厂家提供的。 在高速串行信号中，我们采用的是精度更 高的SPICE模型来进行仿真分析。传输线模型则是通过仿真软件建模形成的。 信 号在传输时，传输线会使得信号完整性问题突出，因此仿真软件对传输线精确建 模的能力直接影响仿真结果。(ft)(b>图3:差分对线模型b:带状线 c:微带线而信号路径和返回路径所在的传 输线不可能是理想的导体，因此它们都有有限的电阻，电阻的大小由传输线的长 度和横截面积决定。任何传输线都可以划分为一系列串

11、接线段。同样的在传输线 之间的介质也不可能是理想的绝缘体，漏电流总是存在的。实际的传输线模型由无数个短线段组成，短线段的长度趋于零。关于传输线的模型是allegro自动分配的。仿真的时候主要是分配器件模型。3.5.SI检查SI Audit功能是用来检查某一个特殊的网络或者一群网络是否能够被提取出来 进行分析，一般就是设置我们需要关注的高速网络，本设计主要关注LVDS串行信号。36提取网络拓扑从PCB中提取待关注信号的拓扑结构，一般包括驱动端和接收端，以及传输线和 相关的匹配电阻电容等，可以从拓扑结构中看出该网络经过那些路径， 那些会对 信号的传输造成影响。本文仅以其中一个信号的网络拓扑图为例：

12、如图4所示:f.h fi.H (4订!匕1剧 “俺I虬2 ml u$_l厅垃回列丄|N卄图4差分对线的网络拓扑3.7.查看波形以上的相关步骤设置好以后就可以进行仿真了，allegro可以进行信号的反射仿真、串扰仿真，差分线还要进行眼图分析。当然仿真也分前仿真和后仿真，在利 用allegro进行PCB设计的时候还需要结合仿真的结果实时的对设计进行修改以 达到符合要求的目的。由于仿真过程复杂，步骤繁琐，在此不一一进行描述，差 分对的布线有两点要注意，一是两条线的长度要尽量一样长，等长是为了保证两 个差分信号时刻保持相反极性，减少共模分量。另一是两线的间距(此间距由差分阻抗决定)要一直保持不变，也就

13、是要保持平行。平行的方式有两种，一为两 条线走在同一走线层(side-by-side)， 一为两条线走在上下相邻两层 (over-under)。一般以前者side-by-side实现的方式较多。等距则主要是为了保证两者差分阻抗一致，减少反射。对差分对的布线方式应该要适当的靠近且平 行。所谓适当的靠近是因为这间距会影响到差分阻抗(differentialimpedanee)的值，此值是设计差分对的重要参数。需要平行也是因为要保持差分阻抗的一致 性。若两线忽远忽近，差分阻抗就会不一致，就会影响信号完整性 (signal integrity)及时间延迟(timing delay)。从仿真的S参数曲线

14、图可以分析差分对的差分阻抗(differentialimpedanee)，以及信号完整性。下面给出本设计中的关键信号仿真波形以供加以说明。从仿真图例图5看到，S11在0-3.0GHZ的频域范围内其最劣化的指标为：-16.770db以下,S 22 (粉红色的曲线)也不劣于 -17db。 这说明该差分对的 差分阻抗(differential impedanee)接近设计指标，信号完整性得到了保证。E ks sell ullegio DP_SATA_DR s4pSuib'Tiije10 0 -1020 弭50 6070 -aoPO 100 -Ilf -120 ISO 140 -150t60Frequency GHzSI 1 MaSI 2:MiSt J MaSIS2 L MaS2_3 Ma-S3 J MiS3_2-bfeS3 3-LUS3 4 MaS4 3 MaSI VMaS-iJ.kfe图5:差分对线仿真S参数曲线图6:差分对IN , OUT的HSPICE仿真图通过差分对IN , OUT勺HSPICE仿真，图6显示的结果：差分对线的对称良好。 结论通过 以上的仿真分析可知，在PCB的设计阶段对于高速LVDS言号的各项要求都能达 到，而经过实际的PCB生产也证明了该设计的