汽車音響導(dǎo)航系統(tǒng)中DDR高速信號(hào)的PCB設(shè)計(jì)
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在以往汽車音響的系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中， 一塊PCB上的最高時(shí)鐘頻率在30~50MHz已經(jīng)算是很高了，而現(xiàn)在多數(shù)PCB的時(shí)鐘頻率超過100MHz,有的甚至達(dá)到了GHz數(shù)量級(jí)。為此，傳統(tǒng)的以網(wǎng)表驅(qū)動(dòng)的串行式設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足今天的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)在必須采用更新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，即將以網(wǎng)表驅(qū)動(dòng)的串行的設(shè)計(jì)過程， 改變成將整個(gè)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)并行考慮的一個(gè)并行過程。也就是說將以往只在PCB布局、布線階段才考慮的設(shè)計(jì)要求和約束條件， 改在原理圖設(shè)計(jì)階段就給予足夠的關(guān)注和評(píng)估，在設(shè)計(jì)初期就開始分析關(guān)鍵器件的選擇，構(gòu)想關(guān)鍵網(wǎng)線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，端接匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)定， 以及在布線開始前就充分考慮PCB的疊層結(jié)構(gòu)，減免信號(hào)間的串?dāng)_方法，保證電源完整性和時(shí)序等因素。
本文主要介紹在汽車音響導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的高速DDR200,在兼顧高速電路的基本理論和專業(yè)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下， 保證信號(hào)完整性的PCB設(shè)計(jì)方法。
1 什么是DDR 及其基本工作原理
DDR SDRAM, 習(xí)慣稱為DDR.DDR SDRAM即雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。
DDR內(nèi)存是在SDRAM 內(nèi)存基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。SDRAM在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只傳輸一次數(shù)據(jù)， 它是在時(shí)鐘的上升期進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;而DDR內(nèi)存則是一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸兩次數(shù)據(jù)， 它能夠在時(shí)鐘的上升期和下降期各傳輸一次數(shù)據(jù)，因此稱為雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。DDR內(nèi)存可以在與SDRAM相同的總線頻率下達(dá)到雙倍的數(shù)據(jù)傳輸率。
如下圖1和圖2所示，DDR SDRAM相對(duì)SDRAM多了兩個(gè)信號(hào)： CLK# 與DQS。
CLK# 與正常CLK時(shí)鐘相位相反， 形成差分時(shí)鐘信號(hào)。而數(shù)據(jù)的傳輸在CLK與CLK# 的交叉點(diǎn)進(jìn)行， 即在CLK的上升與下降沿(此時(shí)正好是CLK#的上升沿)都有數(shù)據(jù)被觸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)雙倍速率傳輸。
DQS(DQ STrobe、數(shù)據(jù)選取脈沖)是DDRSDRAM中的重要功能， 主要用來在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)準(zhǔn)確的區(qū)分出每個(gè)傳輸周期，并在接收端使用DQS來讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù)DQ。
DQS在上升沿和下降沿都有效，與數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)生成。DQS和DQ都是三態(tài)信號(hào)雙向傳輸。在讀操作時(shí)，DQS信號(hào)的邊沿在時(shí)序上與DQ 的信號(hào)邊沿處對(duì)齊， 而寫操作時(shí)，DQS信號(hào)的邊沿在時(shí)序上與DQ信號(hào)的中心處對(duì)齊。
下面以圖1-DDR SDRAM讀操作時(shí)序圖為例，說明DQS的控制原理：
①在沒有數(shù)據(jù)輸出的狀態(tài)時(shí)，DQS處于高阻抗水平。
② 接到READ指令后，DQS信號(hào)變?yōu)榈妥杩梗?并較數(shù)據(jù)輸出時(shí)間提前一個(gè)周期。
③ D Q S 信號(hào)在CLK與CLK# 的交叉點(diǎn)與數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)生成，頻率與CLK相同。
④DQS信號(hào)持續(xù)到讀脈沖突發(fā)完了為止，完了后再度恢復(fù)到高阻抗水平。
2 基本規(guī)格
DDR SDRAM的基本規(guī)格(表1)。
表1 DDR SDRAM的基本規(guī)格
3 DDR200 的PCB 設(shè)計(jì)方法
下面以汽車音響導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的DDR200為例，從PCB疊層結(jié)構(gòu)的選擇、布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、串?dāng)_、電源完整性和時(shí)序等方面考慮的PCB設(shè)計(jì)方法。
3.1 PCB疊層結(jié)構(gòu)的選擇
線路板的疊層結(jié)構(gòu)直接決定了信號(hào)在各導(dǎo)體層的傳輸速度及延遲時(shí)間。根據(jù)電路構(gòu)成及結(jié)構(gòu)限制，結(jié)合高速信號(hào)及電源的返回路徑等EMI要求，在設(shè)計(jì)初期確定好疊層結(jié)構(gòu)以及重要信號(hào)的布線層是十分重要的。本例的疊層結(jié)構(gòu)及重要信號(hào)的布線層如圖3 所示。
根據(jù)板材不同， 導(dǎo)體銅厚， 各絕緣層厚及介電常數(shù)等也會(huì)有差異，導(dǎo)致高速信號(hào)傳輸線的特性阻抗Zo及傳輸延時(shí)Tpd的不同。
板材中絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)εr=4.0,絕緣層厚PP1=60μm,PP2=200μm,PP3=800μm,導(dǎo)體銅厚35μm,且線寬W=100μm時(shí)，信號(hào)在表層(L1、L6)的傳輸延時(shí)Tpd≒140ps,特性阻抗Zo≒56Ω，在內(nèi)層L3布線的傳輸延時(shí)Tpd≒170ps,特性阻抗Zo≒84Ω。
3.2 DDR SDRAM信號(hào)的布線標(biāo)準(zhǔn)
為控制傳輸線的阻抗及延時(shí)等的影響， 要先確定以下的布線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：
*高速信號(hào)線條寬度，以保證傳輸線特性阻抗值：差分信號(hào)Zo 100Ω，其他信號(hào)Zo≒50Ω。
*為減少傳輸線間的串?dāng)_，確定最小間距值。實(shí)際布線時(shí)要盡可能加大間距。
*可用過孔的孔直徑及過孔焊盤直徑：
①Build-up積層激光沖壓孔②內(nèi)層盲埋孔(L2到L5使用)③通孔(L1到L6用)④各種過孔焊盤間最小間距。
3.3 DDR SDRAM器件的布局結(jié)構(gòu)圖
DDR的數(shù)據(jù)傳送通常是一個(gè)發(fā)射端對(duì)應(yīng)多個(gè)接收端的結(jié)構(gòu)， 為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳送，延遲時(shí)間的控制尤為重要。在構(gòu)建器件Layout的時(shí)候重點(diǎn)考慮傳輸線分歧節(jié)點(diǎn)的選定，各段傳輸長(zhǎng)度相等等要求。如圖4,將DDR相關(guān)電路中的元器件都放在同一個(gè)面上， 并通過" 星型及Y 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)"實(shí)現(xiàn)CLK、Data數(shù)據(jù)組，及Address/Command等各數(shù)據(jù)組之間的等長(zhǎng)布線控制。
3.4 高頻信號(hào)的布線優(yōu)先順序
依照設(shè)計(jì)要求的嚴(yán)格程度從最重要的信號(hào)線開始布起，順序?yàn)椋?br />
CLK→Data→Address/Command
3.5 CLK差分信號(hào)的布線方法
針對(duì)DDR200中使用的CLK差分信號(hào)，布線拓?fù)鋱D如圖5 .布線注意點(diǎn)如下：
①差分阻抗要實(shí)現(xiàn)100Ω。
② 差分對(duì)CLK與CLK# 要等長(zhǎng)布線，但總長(zhǎng)度不要過長(zhǎng)。
即CLK( A - B - C 1 - D 1 ) = CLK( A - B -C1-D2)= CLK( A - B - C 2 - D 3 ) = CLK( A - B -C2-D4)3.6 DATA組的布線方法。
圖5 CLK布線拓?fù)鋱D
如圖6, 標(biāo)明了DATA組所選的布線拓?fù)鋱D。布線注意點(diǎn)如下：
① 所有D A T A 信號(hào)從N A V I - C P U出發(fā)到每個(gè)D R A M 的長(zhǎng)度都要相等( 即A - B - C段)。
②等長(zhǎng)布線的誤差可以按同一Bit列及各組Bit間的誤差來控制，如表2。
圖6 DATA數(shù)據(jù)組的布線拓?fù)鋱D
表2
3.7 Address/Command的布線方法
如圖7,標(biāo)明了Address/Command組所選的布線拓?fù)鋱D。布線注意點(diǎn)如下：
① 總布線長(zhǎng)( A - B - C - D ) 等長(zhǎng)， 且與CLK間的長(zhǎng)度誤差控制在一定范圍內(nèi)。
②D段(D1,D2,D3,D4)的布線要等長(zhǎng)。
圖7 Address/Command數(shù)據(jù)組的布線拓?fù)鋱D
3.8 等長(zhǎng)布線的設(shè)計(jì)方法
為實(shí)現(xiàn)DATA組、Address/Command組等網(wǎng)線的等長(zhǎng)控制，可以采用曲線(或稱矩形線)的布線方法。但若曲線的長(zhǎng)度過長(zhǎng)或曲線間寬度DM過短，會(huì)因?yàn)殡姶艌?chǎng)間的耦合導(dǎo)致信號(hào)的傳輸延遲短于預(yù)想時(shí)間，過早被傳送到接收端，造成信號(hào)傳輸不等時(shí)的現(xiàn)象。
3.9 電源與地的布線方法
DDR200所使用的電源有2.5V、3.3V、Vref、Vtt等。布線注意點(diǎn)如下：
①Vref作為輸入Buffer用的基準(zhǔn)電壓，要避免混入其他信號(hào)的噪音。布線時(shí)要同時(shí)注意同層信號(hào)間的耦合及相鄰上下層間的耦合問題。還要避免跟Vtt(終端電壓)的互相干擾。尤其在本例的疊層結(jié)構(gòu)中，要注意與第3層CLK線的層間耦合影響。
②為降低Vtt的走線阻抗，盡可能增加布線寬度，推薦鋪電源面。
4 結(jié)語
本文在DDR200工作原理的基礎(chǔ)上介紹了實(shí)現(xiàn)設(shè)備高性能的PCB設(shè)計(jì)方法。如今數(shù)字電路已經(jīng)出現(xiàn)了更高速的DDR2 及DDR3,希望本文的設(shè)計(jì)思路及高速信號(hào)的布線方法能對(duì)大家的設(shè)計(jì)有所幫助。
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