通過(guò)電路板版圖分析來(lái)降低抖動(dòng):大部分高速數(shù)字產(chǎn)品都使用時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)定時(shí)同步，在一個(gè)時(shí)鐘周期中必須完成一系列操作，包括一個(gè)邏輯深度內(nèi)的所有門(mén)切換時(shí)延、芯片內(nèi)部以及芯片之間的傳播時(shí)延、互連引起的上升時(shí)間或充電時(shí)延、建立和保持時(shí)間，以及時(shí)鐘與數(shù)據(jù)線之間的偏差等等。定時(shí)預(yù)算負(fù)責(zé)給每個(gè)時(shí)延源分配時(shí)間。本文介紹在滿足功能要求的前提下，如何解決高速數(shù)字設(shè)計(jì)產(chǎn)品中定時(shí)預(yù)算、噪聲預(yù)算和EMC測(cè)試要求所面臨的挑戰(zhàn)。
抖動(dòng)指的是從一個(gè)周期到下一個(gè)周期之間，時(shí)鐘或數(shù)據(jù)沿到達(dá)時(shí)間的變化。信號(hào)傳播時(shí)延源可能是隨機(jī)性的(當(dāng)這個(gè)抖動(dòng)無(wú)法預(yù)測(cè)時(shí))，也可能是確定性的(當(dāng)抖動(dòng)量大小能夠預(yù)測(cè)時(shí)，如當(dāng)上升時(shí)間可與位周期相比時(shí)符號(hào)間干擾引起的抖動(dòng))。最后，設(shè)計(jì)人員必須給定時(shí)預(yù)算增加一個(gè)“裕量”，用來(lái)補(bǔ)償無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的所有其他因素。不確定性越多，意味著需要越大的裕量來(lái)確保產(chǎn)品正確工作。
隨著時(shí)鐘頻率的提高，時(shí)鐘周期變得越來(lái)越短。設(shè)計(jì)人員努力通過(guò)縮減定時(shí)預(yù)算中每個(gè)項(xiàng)目的時(shí)間分配來(lái)達(dá)到更高的時(shí)鐘頻率目標(biāo)。設(shè)計(jì)人員越能準(zhǔn)確預(yù)計(jì)定時(shí)預(yù)算中的每項(xiàng)因素，需要的裕量就越小。裕量減小之后，相應(yīng)地就能允許在繼續(xù)滿足定時(shí)預(yù)算的前提下來(lái)縮短時(shí)鐘周期。
有一種確定性抖動(dòng)是來(lái)自于總線中相鄰導(dǎo)線之間的串?dāng)_(即使在低損耗互連中也不例外)。采用能夠預(yù)測(cè)串?dāng)_的互連模型和一種能夠分析定時(shí)中串?dāng)_效應(yīng)的優(yōu)秀仿真器，設(shè)計(jì)人員可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)串?dāng)_引起的確定性抖動(dòng)，從而可以將抖動(dòng)預(yù)算降到最低并減小裕量。通過(guò)認(rèn)識(shí)串?dāng)_引起的抖動(dòng)來(lái)源，可以將其影響降到最低，并采取成本與性能之間的折中，使最終產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。
串?dāng)_引起的抖動(dòng)
當(dāng)某根數(shù)據(jù)位導(dǎo)線上信號(hào)的到達(dá)時(shí)間受到相鄰數(shù)據(jù)位導(dǎo)線上同時(shí)出現(xiàn)信號(hào)的影響時(shí)，便會(huì)發(fā)生串?dāng)_引起的抖動(dòng)。
例如，考察一條包含三個(gè)數(shù)據(jù)位的簡(jiǎn)單總線(圖1)，每根數(shù)據(jù)位導(dǎo)線為一條9英寸長(zhǎng)的50歐姆表層線(線寬和間隔都是5 mil)。這條總線的中央數(shù)據(jù)位線將成為受擾線。設(shè)計(jì)人員可以在三種相應(yīng)的條件下仿真接收器端的信號(hào)到達(dá)時(shí)間。可以仿真所有兩根“入侵線”，即受擾線兩側(cè)的相鄰數(shù)據(jù)位線，分別讓它們停止傳輸信號(hào)、傳輸與受擾線相同的數(shù)據(jù)位，或傳輸與受擾線相反的數(shù)據(jù)位信號(hào)。仿真結(jié)果顯示，受擾線上信號(hào)的到達(dá)時(shí)間與仿真條件有關(guān)(參見(jiàn)圖2)。當(dāng)其他數(shù)據(jù)位線停止傳輸信號(hào)時(shí)，總的時(shí)延為1.5ns左右，而其他兩種條件下，根據(jù)總線上所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位模式，信號(hào)的到達(dá)時(shí)間變化為 ±0.1ns，或者說(shuō)約為總時(shí)延的7％。
當(dāng)“入侵線”與“受擾線”驅(qū)動(dòng)同樣的數(shù)據(jù)位時(shí)，受擾線上的時(shí)延增大。當(dāng)“入侵線”上的數(shù)據(jù)位相反時(shí)，受擾線上的時(shí)延減小。如果在定時(shí)預(yù)算中忽略了這種形式的確定性抖動(dòng)，產(chǎn)品就有可能出現(xiàn)故障(或者必須將所需的裕量增大)。耦合的容性或感性電流加到安靜的導(dǎo)線上，將會(huì)影響到達(dá)時(shí)間和串?dāng)_引起的確定性抖動(dòng)。雖然遠(yuǎn)端串?dāng)_和串?dāng)_引起的確定性抖動(dòng)來(lái)源相同，但抖動(dòng)幅度與總串?dāng)_無(wú)關(guān)，也與上升時(shí)間無(wú)關(guān)。信號(hào)傳播速度的變化導(dǎo)致了串?dāng)_引起的確定性抖動(dòng)，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)來(lái)將其消除。設(shè)計(jì)一個(gè)包含大量串?dāng)_，卻沒(méi)有確定性抖動(dòng)的系統(tǒng)是有可能的。
確定性抖動(dòng)與信號(hào)速度
95%以上的電路板使用FR4材料。信號(hào)通過(guò)一條均質(zhì)傳輸線的傳播時(shí)延僅僅與信號(hào)傳播時(shí)所面對(duì)的有效介電常數(shù)(kEFF)相關(guān)。如果kEFF約為3.5 (FR4表層線中的kEFF可能就是這個(gè)值)，則信號(hào)的傳播速度大致為：12 英寸/ns/=6.4 英寸/ns。例如，一條9英寸長(zhǎng)導(dǎo)線的時(shí)延約為：長(zhǎng)度/6.4英寸/ns=9/6.4=1.4 ns。如果再加上因2pF輸入門(mén)電容引起的上升時(shí)間變長(zhǎng)而導(dǎo)致的0.1ns左右的時(shí)延，就得到了約1.5ns的總傳播時(shí)延。
由總線上位模式引起的kEFF的任何變化都將影響所有數(shù)據(jù)線上的信號(hào)速度，而信號(hào)速度影響傳播時(shí)延，反過(guò)來(lái)又會(huì)對(duì)抖動(dòng)產(chǎn)生影響。但相鄰信號(hào)線上的位模式怎么會(huì)影響受擾線上信號(hào)所面對(duì)的kEFF呢？答案全在于邊緣場(chǎng)線。
當(dāng)一條表層線導(dǎo)線與周?chē)鷮?dǎo)線距離較遠(yuǎn)且相互隔離時(shí)(圖3)，沿這條導(dǎo)線傳播的信號(hào)的一些場(chǎng)線將僅僅分布在導(dǎo)線材料內(nèi)部，而另一些場(chǎng)線則穿越空氣分布在信號(hào)與返回路徑之間。延伸到導(dǎo)線寬度之外的場(chǎng)線稱(chēng)為邊緣場(chǎng)線。在一條50歐姆的FR4表層線中，信號(hào)與返回路徑之間的電容約有一半是由邊緣場(chǎng)引起的。
相鄰入侵信號(hào)線的存在會(huì)影響受擾線的邊緣場(chǎng)分布，具體情況取決于入侵線上的位模式。當(dāng)兩根入侵線攜帶與受擾線相同的數(shù)據(jù)位時(shí)，所有三條信號(hào)線上的電壓相同，導(dǎo)線上方空氣中的邊緣場(chǎng)線很少。