硅尺寸对PCB信号完整性和EMI的影响

作者：Kris Moyer

晶片尺寸缩小时会发生什么情况？正如设计指导老师和Kris Moyer所阐述的那样，会发生多种情况。不断缩小的硅尺寸可能意味着信号速度及上升时间的增加，而传统的PCB设计师可能会发现自己在处理以前只有射频工程师才会遇到的问题。

我们特别邀请了Kris Moyer简述硅尺寸缩小的利弊，以及PCB设计师和设计工程师在进入射频领域时需要了解的技术方法和权衡。

Andy Shaughnessy：本期主题是不断缩小的硅尺寸对PCB信号完整性和EMI的影响。那么，晶片尺寸缩小，PCB设计师需要了解什么？

Kris Moyer：基本上，当晶片尺寸缩小时发生的主要情况是，它会缩小晶片内晶体管的通道长度。它有效地提高了电路的速度，意味着减少了上升时间或下降时间。但是，此时不得不处理类似射频设计中的走线、几何图形和传输线问题。

几十年来，我们一直认为射频设计是小众领域，需要处理所有和波和场相关的问题。数字设计聚焦上升时间，而不是频率。哪个驱动因素，即关键因素，导致了所有这些高速设计的需求？频率成分是什么？

傅里叶定理中，任何波形：方波、三角波、锯齿波，都可以被重新创建为足够数量的正弦波和足够高谐波的余弦波的叠加。取一个基本频率，1千赫。有A1、A3、A5和A10千赫。叠加所有这些谐波，最终会得到方波。那么，方波需要多方？这是一个让很多设计师感到困惑的部分。

当探讨上升时间时，我们真正关注的是方波，数字信号，从逻辑0变为逻辑1所需的时间。随着晶片的缩小，时间也会缩短。大约20年前，上升时间和下降时间是5~10纳秒的倍数。信号从逻辑0变为逻辑1需要5~10纳秒。只需要探究上升时间快至0.25纳秒，即16纳米的FPGA。

一些大型电信公司的朋友正在研究下一代硅，硅的工作速度将为5纳米、3纳米和2纳米，未来将会低于100皮秒。它的上升时间不是0.25纳秒，而是0.1纳秒和0.05纳秒。硅的上升时间如此之快，以至于我们需要创建从A0到A1的垂直方形边缘所需的谐波数量，意味着傅里叶级数中叠加所涉及的频率高达数千兆赫的频率成分。这意味着需要在射频频率范围内设计。

Shaughnessy：即使你不是射频专家，也需要处理射频问题。

Moyer：设计中的频率与射频设计的频率相同，必须处理趋肤效应和有损耗的传输线模型。过去只为射频技术人员使用的高频率设计，现在正在影响数字和模拟技术，尽管对模拟技术影响不大。但是，应对这些快速上升时间的数字工程师现在必须考虑所有这些高频RF成分。

我认为很多工程师都没有意识到，用傅里叶级数，这种转换，需要有足够的成分来产生如此快的方波。基本上，表明频率成分是存在的。但我不在乎时钟频率是什么。频率成分存在于方波中，因为硅尺寸已经缩小，这意味着边缘速率的DI/DT现在包含了这个频率成分，无论是否想要，这是设计师需要了解和充分概念化的最大问题。简而言之，频率含量的存在仅仅是因为硅尺寸的缩小。

Shaughnessy：他们现在意外地成为了射频工程师。

Moyer：差不多是这样。就在20到30年前，也许频率是100兆赫，用相当简单的设计规则仍然可以完成设计。由于这些边缘速率而发生的另一个大问题是我们所称的过渡电气长度，即信号在从A0主动变化到A1时沿传输线传播的距离。距离也缩小了，这是数字设计的另一个问题。

过去，只要信号向下传播的走线长度短于信号在切换边缘传播的距离，就不会有太多的数字信号布线问题。没有明显的反射问题，因为在积极地驱动信号，在积极地向传输线投入能量，或从传输线中取出能量。这种主动驱动将可克服任何反射或串扰、上升时间等。同样，在A1纳秒的边缘速率和4.0的介电常数下，得到了大约6英寸的走线，在电路板上，这是相当长的距离，为四分之一纳秒。现在必须开始处理端接技术、避免串扰以及所有这些技术问题，因为晶片已经缩小，所以切换边缘变得更快。

Shaughnessy：所以，听起来“通常”PCB设计师需要在设计周期开始之前就意识到所有这些潜在的陷阱。设计师可以做些什么来提前了解这些信息？

Moyer：第一步：假设电路板上有数字芯片，就会有信号完整性问题，必须采用适当的信号完整性和设计分析方法。根据叠层，决定传播速度和过渡电气长度，并设置适当的串联端接。这需要电路板工程师和电路工程师合作。

如果贵公司没有专门的信号完整性分析工程师，电气工程师应能够进行信号完整性分析，以确定适当的串联端接电阻值。并行要求是什么？假设在把第一条走线放在PCB上之前，就要考虑这些要求。假设存在信号完整性相关问题，据此创建并定义所有设计规则。

Nolan Johnson：正如你所说，这不是真正的黑魔法。

Moyer：关于这个主题，Howard Johnson博士撰写了很棒的教科书：《高速数字设计：黑魔法手册》。他将自己的书命名为“黑魔法”，因为在早期，人们对这一切都不太了解。这些结构是什么样子的？设计师真正需要理解的重点是，需要停止从二维角度思考电路板结构。我们需要开始将它们视为3D结构，考虑Z轴与平面的分离。走线边缘有边缘电容这一事实呢？走线有一条垂直的边缘；它不仅仅是扁平的走线，尽管这是我们绘制它的方式。在CAD工具中，真的需要开始将板上的所有结构视为3D结构。这些3D结构的物理性质是什么？它们在高频下会如何表现？

Shaughnessy：谁是这个领域的知名导师？谁写过这方面的书？

Moyer：就作者而言，有4位主要专家。我已经提到Howard Johnson。《速度边缘》的作者Lee Ritchey是一位杰出的权威和信号完整性导师和作者。Doug Brooks已经写了很多关于这方面的书， Eric Bogatin也写过很多关于该主题的书。

还有Rick Hartley，他也在展会举办过许多信号完整性课程，以及专业发展课程。我认为这5位是信号完整性方面的专家。我有他们撰写的所有课程，我自己也经常参考这些课本。

Johnson：Kris，你有什么想要补充的内容吗？

Moyer：我想说硅不是新领域，随着硅尺寸不断缩小，人们对此关注度不断增加。这点将越来越明显，并且绝对是所有设计师和工程师都需要认真对待和处理的。因为经验法则不再占据主导地位，20年前的事实如今已不复存在。

编辑：黄飞