淺談信號在PCB走線中傳輸時延

　信號在媒質(zhì)中傳播時，其傳播速度受信號載體以及周圍媒質(zhì)屬性決定。在PCB（印刷電路板）中信號的傳輸速度就與板材DK（介電常數(shù)），信號模式，信號線與信號線間耦合以及繞線方式等有關(guān)。隨著PCB走線信號速率越來越高，對時序要求較高的源同步信號的時序裕量越來越少，因此在PCB設(shè)計階段準確知道PCB走線對信號時延的影響變的尤為重要。本文基于仿真分析DK，串擾，過孔，蛇形繞線等因素對信號時延的影響。
　　1.引言
　　信號要能正常工作都必須滿足一定的時序要求，隨著信號速率升高，數(shù)字信號的發(fā)展經(jīng)歷了從共同步時鐘到源同步時鐘以及串行（serdes）信號。在當今的消費類電子，通信服務(wù)器等行業(yè)，源同步和串行信號占據(jù)了很大的比重。串行信號比如常見PCIE，SAS，SATA，QPI，SFP+，XUAI，10GBASE-KR等信號，源同步信號比如DDR信號。
　　串行信號在發(fā)送端將數(shù)據(jù)信號和時鐘（CLK）信號通過編碼方式一起發(fā)送，在接收端通過時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）得到數(shù)據(jù)信號和時鐘信號。由于時鐘數(shù)據(jù)在同一個通道傳播，串行信號對和對之間在PCB上傳輸延時要求較低，主要依靠鎖相環(huán)（PLL）和芯片的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)功能。
　　源同步時鐘主要是DDR信號，在DDR設(shè)計中，DQ（數(shù)據(jù)）信號參考DQS（數(shù)據(jù)選通）信號，CMD（命令）信號和CTL（控制）信號參考CLK（時鐘）信號，由于DQ的速率是CMD DDR2/ DDR3.DDR4預(yù)計在2015年將成為消費類電子的主要設(shè)計，隨著DDR信號速率的不斷提高，在DDR4設(shè)計中特別是DQ和DQS之間傳輸時延對設(shè)計者提出更高的挑戰(zhàn)。
　　在PCB設(shè)計的時候為了時序的要求需要對源同步信號做一些等長，一些設(shè)計工程師忽略了這個信號等長其實是一個時延等長，或者說是一個‘時間等長’。
　　2.傳輸時延簡介
　　Time delay又叫時延（TD），通常是指電磁信號或者光信號通過整個傳輸介質(zhì)所用的時間。在傳輸線上的時延就是指信號通過整個傳輸線所用的時間。
　　Propagation delay又叫傳播延遲（PD），通常是指電磁信號或者光信號在單位長度的傳輸介質(zhì)中傳輸?shù)臅r間延遲，與“傳播速度”成反比例（倒數(shù)）關(guān)系，單位為“Ps/inch”或“s/m”。
　　從定義中可以看出時延=傳播延遲*傳輸長度（L）
　　其中v為傳播速度，單位為inch/ps或m/s c為真空中的光速（3X108 m/s）
　　εr為介電常數(shù)PD為傳播延遲，單位為Ps/inch或s/m TD為信號通過長度為L的傳輸線所產(chǎn)生的時延L為傳輸線長度，單位為inch或m
　　從上面公式可以知道，傳播延遲主要取決于介質(zhì)材料的介電常數(shù)，而傳播時延取決于介質(zhì)材料的介電常數(shù)、傳輸線長度和傳輸線橫截面的幾何結(jié)構(gòu)（幾何結(jié)構(gòu)決定電場分布，電場分布決定有效介電常數(shù)）。嚴格來說，不管是延遲還是時延都取決于導(dǎo)體周圍的有效介電常數(shù)。在微帶線中，有效介電常數(shù)受橫截面的幾何結(jié)構(gòu)影響比較大；而串擾，其有效介電常數(shù)受奇偶模式的影響較大；不同繞線方式有效介電常數(shù)受其繞線方式的影響。
　　3.仿真分析過程
　　3.1微帶線和帶狀線傳輸時延
　　PCB中微帶線是指走線只有一個參考面，如下圖1；帶狀線是指走線有2個參考面，如下圖2。
　　
　　帶狀線由于電磁場都被束縛在兩個參考面之間的板材中，所以走線的有效介電常數(shù)為板材的介電常數(shù)。
　　微帶線會導(dǎo)致部分電磁場暴露在空氣中，空氣的相對介電常數(shù)約為1.0006，板材如常規(guī)FR4的介電常數(shù)為4.2，那么微帶線的有效介電常數(shù)在1和4.2之間，可以利用下面的公式計算微帶線的有效介電常數(shù)「Collins，1992」：
　　εe = （εr +1）/2 + （εr -1）/2（1+12H/W）-1/2 + F -0.217（εr -1）T/√WH 3.1 F = 0.02 （εr -1）（1-W/H）2 （W/H 1） 3.2
　　其中，εe為有效介電常數(shù)，εr為電路板材料的介電常數(shù)，H為導(dǎo)線高于地平面的高度，W為導(dǎo)線寬度，T為導(dǎo)線厚度。