科学绕等长系列终篇:等长规则神圣不可侵犯?

为什么要绕等长?”这个问题在科学绕等长的第一篇文章中就已经介绍了,等长不是目的,等延时才是目的。我们之所以看见各种规则上描述的是等长5mil,或是50mil之类的条件,只是为了方便我们去理解和实际应用。

以我们最常见的DDR为例,通常大家在网上找到的各种规范中都要求数据信号控制组内5mil的误差。看过前面文章的同学应该都知道,这点等长的裕量和绕线方式、传播速度差异这些相比不值一提。

面对我们设计上可能带来的动辄几十甚至几百mil的误差,我们的信号还能HOLD住吗?

口说无凭,直接上仿真看一下。

这次试验的电路是一部分DDR走线,绕线的GAP间距不同于常见的3X而是设置为5X,走线同层,阻抗一致,尽量避免自耦合及传播速度不同带来的延时误差。

试验总共分为两次:

实验一

所有数据信号等长严格控制在5mil以内。

“”

“”

由于效(偷)率(懒)的关系,这次仿真没有用常规的DDR的仿真流程,即先提取S参数,再用S参数搭建电路仿真。而是利用Sigrity的Speed2000快速进行一个时域的波形仿真。

仿真条件中电源和地都是理想的,模型随便赋予,只需要保证前后两次试验一致即可,频率设置为1600MHZ。

观察第一次仿真结果,可以看见由于等长误差非常小,波形基本重合。

“http://mouser.eetrend.com/files/2020-03/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100048142-92296-3.png”

整体波形及眼图如下:

“”

试验二

对之前的PCB文件进行修改,调整了三根数据信号线的长度,使得其和组内其它走线的长度偏差分别为60mil、100mil、150mil。其中最大误差达到了150mil这个是我们规则的30倍。

有没有心虚,这么大的等长误差怕是要挨打吧。

“”

“”

同样的参数进行仿真,观测仿真结果,可以明显看到由于等长存在较大的误差,波形有了一定的分离,不再重合:

“”

整体波形和眼图如下:

“”

看的不是很明显,我们再将前后两个眼图放在一起,做一个对比:

“”

必须得承认,严格等长会有更好的一个整体信号质量。但并不意味着,等长出现一点偏差,这个系统就无法工作的情况。在我们的这个试验中,误差达到了150mil,但实际对比眼图可以看见,有影响但影响并不大。

这也是为什么我们在前面说绕线或是传播速度可能带来几十上百mil的长度误差,却依然被很多人忽视的原因。因为系统本身有足够的裕量去hold住这些误差带来的影响。

既然系统有裕量,那是否意味着设计指标上可以随心所欲,或者至少宽松一些?

回答这个问题很难,因为每一个设计都不相同。这次仿真的条件比较理想,在这种情况下,我们可以接受几十甚至几百个MIL的长度误差。但实际设计中,电源噪声、信号线之间的串扰、容性负载、阻抗等等很多因素都会使得我们的信号质量一点点恶化。这个时候如果还因为等长消耗掉几十个PS的裕量,就可能会使得系统岌岌可危。

因此大家有条件的情况下还是应该尽量做好等长,但没必要去严苛死守这种呆板的规格,应该根据实际情况去灵活的运用。毕竟哪怕是芯片输出也不能做到一组信号同时输出,再者芯片内部的延时也不一定等长,这些都比5mil来的严重。

好了,介绍了并行总线,接下来再看串行总线。不同于DDR采用同组多个数据线传输,串行总线采用差分传输,有更快的传输速度。

对于差分最常见的规则是5mil的差分对内等长,但也不乏遇见一些奇怪的要求。比如“我的这个信号是PCIE3,要跑8G的,等长做到1mil。”

是不是想反驳又不知道如何反驳,没关系,马上验证。

“”

在这次的实验中,第一对差分线完全等长,N和P都是5000mil的长度,完美。另外一对差分线,则有5mil的长度误差。

有没有影响,看一下S参数就一清二楚:

“”

可以看到,一直到50GHZ,有误差和没有误差的差分对,从S参数上几乎看不出区别。

当然这个不是说差分不需要对内等长,如果这个误差达到100mil,在高频段就出现了明显的谐振:

“”

所以对于高速差分来说,对内等长依然是要有的,只是5mil的误差已经足够,没必要去追求1mil这么精确。

当然如果你的差分速度本身就不高,就不提485或者CAN之类的了,稍微高级一点,比如100M的网口,想想家里安装宽带的时候,安装师傅要把网线剪断制作水晶头。那一剪刀下去的误差岂止几十个mil,你家就上不了网了吗?

等长适可而止。

相关阅读:
如何科学绕等长(一)
如何科学绕等长(二)
如何科学绕等长(三)

本文转载自: PCB设计与信号完整性仿真(作者:十四岁的十四 )
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