高速电路信号完整性分析与设计.pdf

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网上曾报道一则技术消息,美国一家著名的影像探测系统制造商的电路板设计师们曾经碰到一件奇特的事:一个7 年前就已经成功设计、制造并且上市的产品,一直以来都能够非常稳定可靠地工作,而最近从生产线上下线的产品却出现了问题,产品不能正常运行。这是一个20MHz 的系统设计,似乎无需考虑高速设计方面的问题,没有任何的设计修改,采用的元器件型号同原始设计的要求一致。   系统缘何失效?这让设计工程师们觉得十分困惑:没有任何的设计修改,生产制造基于原始设计中一致的电子元器件。唯一的区别是由于今天不断进步的IC 制造技术,所以新采购的电子元器件实现了小型化也更加快速。新的器件工艺技术使得新近生
以正确时序和电压做出响应的能力。通俗地说,可以理鐸为信号的质量。信号完整性问题的 影响主要包括:接口反射、串扰、地平面反弹噪声、 EMC/EMI和电源完舉性等等。IC开关 速度高、端接元件的布局不正确或髙速信号的错误布线都会引起SI问题。随着电子技术和讠 算机技术的发展,信号速率不断提高。近年来,随着高速电峰的迅速发展,高速芯片和器件 越来越被广泛使用,信号完整性问题变得越来越突岀,越来越引起关注。高速数字信号完整 性是苌明信号通过信号线传输后仍保持其正确的功能特性,信号在电路中能以止确的吋序和 电压做出响应,由IC的时序可知,如果信号在稳态时间(为了正桷识别和处理数据,IC要求 在时钟边沿前后输入数据保持不变的时间段)内发生了较大的跳变,1C就可能误判或丢失部 分数据。若信号具有良好的信号完整性,则电路具有正确的时序关系和信号崛度,数据不会 出现错淏的捕获,意味着收端能够得到比较纯浄的数据。相反,若岀现误触发、阻尼振荡 过冲、欠冲等信号完整性故障,貮会引起任意的信号珧变,导致输入的畸变数据被送入锁存, 或在琦变的时钟跳变沿捕获数据,信号不能正常响应,导致系统工作昇常,性能下降。 在高速系统中,一段导体不仅仅是导体,也已成为具有分布参数的传输线。对此,电路 设计工程师和PCB设计工程师己不能回避。能否处理好系统的信号互连,解决信号完整性的 问题,是系统改计成功的关键。冋时,信号完整性也是解决电源完整性、电磁兼容与电磁干 扰( EMCEMI)问题的基础和前提。 1.2国内外研究现状及动态 目前,信号完整性工程还是一门尚未成熟的学科,其分析方法和实践都还没有很好的定 义,还处于不断的探索阶段。在基于信号完整性计算机分析的PCB设计方法中,最为核心的 部分就是PCB板级信号亢整性模型的建立,这是与传统的设计方法的区别之处。SI模型的正 确性将决定设计的正确性,而SI模型的可建立性则决定了这种设计方法的可行性。 在电子设计中已经有多种可以用于PCB板级信号完整性分析的模型。其中最为常用的有 三种,分别是SPCE、IBS和Ⅴ erilog-A 1 SPICE模型 SPICE是一种功能强大的通用模拟电嵱仿真器。现在 SPICE模型凵经广泛应用于电子设 计中,并且衍生出两个主要的版木: HSPICE和 PSPICE, HSPICE主要应用」集成电路设汁 而 PSPICE主要应用于PCB板和系统级的设计。 SPICE模型由两部分组成:模型方程式 Model equations)和模型参数 Model Parameters) 由于提供了模型方程式,因而可以把 SPICE模型与仿真器的算法非常紧密地联接起来,可以 获得史好的分析效率和分析结果 采用 SPICE模型在PCB板纵进行SI分析时,需要集成电路设计者和制造商提供详细准 确描述集成电路IO单元子电路的 SPICE模型和半导体特性的制造参数。由于这些资料通常 都属于设计者和制造商的知识产权和机密,所以只有铰少的半导体制造商会在提供芯片产品 的同时提供相应的 SPICE模型。 SPICE模型的分析精度主要取决于模型参薮的来源(即数据的精确性),以及模型疔程式 的适用范围。而模型方程式与各种不同的数字仿真器相结合时也可能会影响分析的精度。除 此之外,PCB板级的 SPICE模型仿真计算量较大,分析比较费时。 2IBIS模型 IBIS模型最初是由 Intel公司开发专门为用于PCB板级和系统级的数字信号完整性分析 的模型。现在由IBIS开放论坛管理,并且成为了正式的工业标准( EIA/ANSI656A) IBIS模型采用I和ⅴT表的形式来描述数字集成电路IO单元和引脚的特性。由于IBIS 模型无需摧述IO单元的内部设计和品体管制造参数,因而得到了半导体丿商的欢迎和支 持。现在各主要的数集成电路制造商都能够在提供芯片的同吋提供相应的IIS模型 IBS模型的分析精度主要取决于Ⅰⅴ和ⅴ/T表的数据点数和数据的精确度。由于基于 IBS模型的PCB板级仿真采用查表计算,因而计算量较小,通常只有相应的SPCE模型的 L/10到1/100。 3 Verilog-AMS模型和ⅤHDI-AMS模型 Ⅴ erilog-AMS和Ⅴ HDL-AMS出现还不到4年,是一种新的标准。作为硬件行为级的建 模语言, Verilog-AMS和Ⅴ HDL-AMS分别是 erilog和ⅤHDL的超集,而 erilog-A则是 Ⅴ erilog-AMS的一个子集。 与 SPICE和IBIS模型不同的是,在AMS语言中是由用户来编与描述兀器件行为的方程 式。与IBIS模型相类似,AMS建模语言是独立的模型格式,可以应用在多和不同类型的仿 貞L具中。AMS方程式还能够在多种不同的层次上来编写:晶体管级、IO单元级、IO单 元组等 由于Ⅴ Verilog-AMS和 VHDL-AMS是一种新的标准,迄今为止只有少数的半导体厂商能 够提供AMS模型,日前能够支持AMS的仿真器也比 SPICE和IBIS的要少。但AMS模型 在PCB板级信号完整性分析中的可行性和计算精度亳不逊色于 SPICE和IBIS模型。 高速数字信号完整性分析的前提是仿真模型的建立,但要对信号完整性的综合分析还必 须有一个有效的一休化设计的仿真平台。目前国夕已经有多种相关仿真软件,如: Cadence 系列软件、 Mentor.件、Anso系列软件、 Ansys软件、 Serenade软件和 Apsim等,它们均 是通过建立相关模型,采用不同的分析方法,从不同角度对高速信号完整性问题的某些方面 的具体分析。 在信号完整性领域有3本被公认为最有价值的教科书。一本是Iigh- Speed digital design, 作者 Jonson,是信号完整性领域的绝对杈威,这本书偏重于基础理论,讲得详细且通俗易 懂,是学习高速数字电路设计者的入门到精通的最佳理论教学用书。第二本是 High-Spccd digital Systcm dcsign-A Handbook of Intcrconncct Thcory and Design Practices, tE 者 Stephen H.Hall等,是继前一本书之后的又一本经典著作,这本书偏重于实际,涉及面广, 从设计到测试,详细且极具针对性,更适合做一本设计实用参考手册。第三本 是 Digital Signal Integrity,作者 Young, Brian,是较新(2001年出版)的又一本非常有价值的 著作,相对前两本来说,这本书内容写得比较深,还牵涉到大量的芯片内部逻辑和 Spice建 模等内容,建议之前先读完前两木书,而把这木书作为理论研究和仿真分析参考书。国内高 速数字信号完整性的硏究应用相对而言比较滞后,只有为数不多的几家公司在进行高速设计 信号完整性方面的探索,而重点研究和阐述信号完整性的理论分析与应用实践方面比较有系 统性的书籍也较少,髙速电路设计中出现的难题大都靠设计人员的经验米解决。 1.3本书的主要内容 本书着重介绍高速数字电路设计中所涉及到的信号完整性问题,并提出信号完整性仿真 分析的必要性及其在解决信号完整性的方法。本书从高速信号与高速电路基本概念入手,提 出本书所要阐述的问题和解决的方案,然后从基本理论入于,分析信号完整性所涉及的机理、 现象等,提出信号完整性仿真分析的必要性及其方法,结合髙速电路及其PCB版设计分析其 应用方案,最后介绍了目前国外最新的信号完整性分析常用工只及其仿真分析方法,结合所 完成的科研项目的实践,给出了大量具体示例,对高速电路的信号完整性从理论、技术到应 用提出·整套解决方築。 信号完整性涉及的坦论和技术面广,其分析方法和实践还在不断矿究和探索中,不可能 在一本书内容纳,本书只分析和讨论了其中一些重要的概念及基础理论和基本的仿真设计方 法,并结合所承担科研课题项日给出了部分基于信号完整性的仿真示例,力图通过这些分析 与讨论,使读者拓宽视野,掌握技术发展,适应迅速发展高速电子电路设计新方法。 第二章高速电路信号完整性分析与设计-高速信号 完整性的基本理论 2.1基本电磁理论 本书主要讨论高速数字电路中信号完整性分析与高速电路设计的基本方法,而信号完整 性分析是以电磁场理论作为基本理论,因此必须首先讨论高速信号完整性所涉及的基本电磁 理论,在此基础上建立信号完整性的理论基础,从而可以对基于信号完整性的设计与仿真分 析及结果做出理论解释。信号完整性分析所涉及的基本电磁理论基础包括:麦克斯韦方稈组、 传输线理论、匹配理论等。 2.1.1麦克斯韦方程组 经典电磁理论的基石是麦克斯韦方程组,它是描述描述一切电磁现象的基本规律。 法拉第电磁感应定律表现为变化的磁场产生电场的规律。对于电磁玚中任意的闭合回 路: ap,即:fEd1=-8.BdS (2-1) Cts 对应的微分形式为: VxE aB (2-2) 2、传导电流与变化的电场是产生磁场的两个源: OD H·dl (2-3) aD 对应的微分形式为:V×H=J+ (2-4) 3、麦克斯韦方程组构成经典电磁理论的基础。麦克斯韦方程组如 微分形式 积分形式 aD aD V×H=J+ at OB hEd=「 aB V×E (2-5) V·B=0 B·dS=0 ss Dds=q 在线性、各冋同性媒质中,场量的关系由三个辅助方程 D=EE, B=UH, J=dE (2-6) 表示,称为本构关系。电磁参量ε、μ、δ与位置无关的均匀媒质;反之为非均匀媒质。对 于各向异性媒质,这些电磁参量为张量;非线性媒质的电磁参量与场强相关。只有代入本构 关系,麦克斯韦方程才是可以求解的。 4、高频时的一些效应 集肤效应:在高频情况下,电磁波进入良导体中会急剧衰减,甚至在还不足良导体中 个波长的距离上,电磁波已受到显著衰减,所以高频电磁场只能存在于良导体表面的一个溥 层内,这种现象称为集肤效应。电磁波场强振幅衰减到表面的L/e的深度称为趋肤深度 (2-7) Vopo 上式说明:电导率越大即导电性越好,工作频率越高,趋肤深度越小。导致高频时的电 阻远大于低频或直流时的电阻。 邻近效应:若干个载流导体间的相互电磁干扰时,各载流导体截面的电流分布与孤立载 流导体截面电流分布是不同的。当通有相反方向电流的两邻近导体,在相互靠近的两侧面最 近点电流密度最大;当两载流导体电流方向相同时,则两外側面的电流密度最小。一般情况 下,邻近效应使得等效电阻加大,电感减小。 在髙频场作用下,描述媒质色散特性的宏观参数为复数,其实部和虚部都是频率的函数, 表明同一媒质在不同频率的场作用下,可以呈现不同的媒质特性。为了说明媒质在某个频率 上的损耗大小,用损耗角正切来表示 tan d (2-8) 其中损耗角为复介电常数和复磁导牽的幅角称为损耗角。上式中在频率不是很高的情况 下,损耗角正切是代表传导电流和位移电流密度之比 212传输线理论 广义传输线是引导电憾波沿一定方向传输的导体、介质或由它们组成的导行系统。我们 般所讨论的传输线是指微波传输线,其理论是长线理论,即当传输线的儿何尺寸与电憾波 的波长可以相比拟时,必须考虑传输线的分布参数(或称寄生参数)。在高遮数字或射频电 路设计和髙速电路的仿真设计中,许多电磁现象必须应用传输线理论进行解释,传输线理论 是研究高速数字(或射频)电路的基础 基本传输线理论 当传输信号速率或频率达到一定时,传输信号通道上的分布参数必须考虑。以平行双导 线为例,其上的集肤效应带来单位长度射频阻抗增人;到射频段,平行双导线周闱的磁场很 强,其寄牛电感必须考虑;平行双导线间的电场要用电容来等效;导线问在频率很高时还要 考虑导线间的漏电现象。所以一条单位长度传输线的等效电路可由R、L、G、C四个元件组 成,如图2-1所小。 L C : RL 单倥长度 图2-1单位长度传输线的等效电路 由克希霍夫定律可得传输线方程表示式为 =(R+joL d (G+jwC)V 传输线方程的通解可写成 V(z)=e"2+e (2-10a) (z)= + e V Z (2-10b) 其中Ⅳ、V、Ⅰ、Ⅰ分别是电压波和电流波的振常数,而十、一分别表示入射波 (十Z)及反射波(一Z)的传输方向。 传播常数y定义为:y=√(R+间mDG+jC)=a+iB。 其中a为衰减常数,B为相位常数 传输线上一点的电压和电流分别是入射波与反射波的叠加。在Z轴上任一点的电压及电 流表达式为: 2)e/o (2-11a) i(z,1)=/(z)e t (2-1b) 上式说明在一传输线上传输的电压波和电流波是时间及传输距离的函数。 一般传输线的特性阻抗定义为传输线上行波电压与行波电流之比,即: R+OL (2-12) J 对于无损耗线或低损耗线时:特性阻抗及Z0传播常数y分别为 y=j√LC 传输线上一点的输入阻抗定义为传输线该点的电压与电流之比: 2(∠) Z,+jZotg(B (2-13) (2 Zo+jz,tg(B,) 反射系数定义和公式表示:反射波电压或电流与入射波电压或电流之比,称为反射系数, 即电压反射系数IU(Z)或电流反射系数r;(Z)。 1,(刀U(Z)Z,-Z Te liz (2-14) 如果终端Z处为零时,负载反射系数:FL= 信号源反射系数 任意点电压反射系数可用终端反射系数表示为:r(=)=442 由此可见,对均匀无耗传输线米说,任意点反射系数的大小都相等,沿线只有相位按周 期变化,其周期为/2,即反射系数具有/2重复性。 驻波比:终端不匹配的传输线上各点的电压和电流由入射波和反射波叠加而成,结果在 线上形成驻波。对于无耗传输线,沿线各点的电压和电流振幅不同,以λ/2周期变化。为了 描述传输线上驻波的大小,我们引入一个新量--VSWR 定义传输线上波腹点电压与波节点电压振幅的比值伟电压驻波比,用ⅤSWR表示 VSWR (2-15) VSWR有时也称为电压驻波系数,其倒数称为行波系数,用K表示: K VSWR 2集成传输线理论 集成传输线包括微带线、带状线、耦合线和各种共面波导。微带线目前是混和微波集成 电路( Hybrid microwave integrated circuit),和单片微波集成电路( Monolithic microwave integrated circuit)中使用最多的一种平面型传输线。它可用于光划程序制作,且容易与其他 无源微波电路和有源徼波器件集成,实现微波部件和系统的集成化。微线的信号线在外层, 地层在信号线的另一边,易于测试 微带线是在金属化厚度为h的介质基片的一面制作宽度为w,厚度为t的导体带,另 面作接地金属平板而构成,如图2-2所示,图中反映了微带线的基本特征,包括:特性阻抗 Z0,传输延迟tυ,固有电容Co,及固有电感Lo。 图2-2微带线的基本结构图 87 598h 特性阻抗Z0 -+1410.8+t 化输延达tp0=1.01704572+067) 或8504759+067( inC PD DF 固有电容C0=1000--( Zo 固有电感L0=Z02C0 f

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