（信号与信息处理专业论文）高速数字电路的信号完整性分析.pdf

摘要 信号完整性是高速电路设计的一个核心问题，广泛存在于智能控制、高速采集、射 频电路等诸多领域。信号完整性分析是研究信号受反射、串扰、时序、电源以及电磁辐 射等因素的干扰程度，为系统电路设计和p c b 布局布线提供重要的数据依据，最终改 善信号传输质量。随着高速电路的快速发展，信号完整性问题越来越突出。由于信号完 整性问题受多方面因素的影响，原来简单的滤波、去耦、过孔阵列保护等信号完整性处 理方式已不能够满足电路设计的要求。特别是在高频条件下，信号的噪声严重，受干扰 的因素很多且难以控制，信号很容易失真。 本文针对高速条件下信号完整性问题的关键技术进行了研究。主要的工作包括： 1 针对高速电路中差分时钟信号反射严重的问题，提出了一种改进的差分端接设 计，将单端阻抗匹配电路引到驱动端，达到抑制反射噪声的效果。同时，进一步分析了 信号频率、传输距离对改进端接设计的影响。并在高速采集板卡中进行仿真实验。仿真 结果表明：当信号小于5 0 0 m h z 时，与常用的交流耦合端接设计相比，改进的端接设计 中接收信号过冲最大减少了1 0 9 ，反射噪声得到抑制，改善了高速数据采集系统中差 分时钟信号质量，验证了改进端接设计的有效性。 2 针对高速电路中串扰噪声问题，首先分析了线间距、线并行长度、介质厚度等 常用参数对串扰噪声的影响。根据实际走线情况，确定了满足设计要求的参数约束条件。 并通过实际板卡的布线后仿真，验证约束条件的有效性。其次，分析了引入不同端接、 孔间距的隔离带对串扰抑制效果的影响。结果表明：适当的端接匹配能够有效地抑制隔 离带引起的谐振现象；合理地调整隔离带的孔间距可将谐振点控制在工作范围之外。为 实际板卡的合理设计，提供了重要的参考数据。 3 针对高速电路的时序问题，借助i b i s 模型在h y p e r l y n x 中建立仿真平台，修正 器件数据手册提供的建立时间和保持时间，确定器件数据和时钟信号的输出延时。并根 据d s p 和s d 洲间的时序要求进行分析，确定满足电路要求的p c b 布局布线的约束 条件，对实际的电路设计具有重要的指导意义。 4 针对高速电路的电源完整性问题，提出一种增加去耦支路损耗抑制p d n 并联谐 振的方法。通过在去耦支路引入一个串联电阻，使p d n 的损耗增加，从而抑制p d n 并 联谐振。文中给出了理论模型，借助h y p e r l y n xp i 仿真软件在d m 6 4 2 板卡上进行仿真 实验。结果表明，在去耦支路引入一个0 4 5 q 电阻，将p d n 并联谐振处的品质因数q 从2 8 2 抑制到1 3 。同时，分析了引入电阻对去耦效果的影响。当引入电阻小于0 4 5 f l 时， 可通过加倍去耦电容并联个数来补偿引入电阻对去耦的影响。 关键词：信号完整性反射噪声串扰噪声时序分析电源分配网络 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fs i g n a li n t e g r i t yi sak e yi s s u ei nt h ed e s i g no fh i g h - s p e e dc i r c u i t s ，a n di t h a saw i d er a n g eo f a p p l i e a t i o n si nm a n yf i e l d s ，s u c h 鹊i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，h i g h - s p e e dc a p t u r e , r a d i of r e q u e n c yc i r c u i t sa n ds oo n i ta i m sa ta n a l y z i n gt h es i g n a li n t e r f e r e n c el e v e l sa f f e c t e d b ys o m ef a c t o r s ，s u c h 嬲t h er e f l e c t i o nn o i s e ，e r o s s t a l kn o i s e , t i m es e r i e s ，p o w e rs u p p l yn o i s e ， e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o na n ds oo n ，a n dt op r o v i d ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o rt h es y s t e m c i r c u i td e s i g na n dp c b l a y o u t ，a n de v e n t u a l l yt oi m p r o v et h es i g n a lt r a n s m i s s i o nq u a l i t y w i t h r a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dc i r c u i t s ，t h es i g n a li n t e g r i t yi s s u e sb e c o m ei n c r e a s i n g l y c r i t i c a l a st h es i g n a li n t e g r i t yi s s u e sa r ea f f e c t e db yv a r i o u sf a c t o r s ，t h et r a d i t i o n a ls i g n a l i n t e g r i t yh a n d l i n gm e t h o d s ，s u c ha ss i m p l ec a p a c i t o rf i l t e r , t h ev i aa r r a yp r o c e s s i n gm e t h o d s ， c a l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fc i r c u i td e s i g n e s p e c i a l l yu n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g h f r e q u e n c i e s ，t h es i g n a li ss e r i o u s l yi n t e r f e r e n c e db ym a n yf a c t o r sa n dd i f f i c u l tt oc o n t r o l ， w h i c h i sv e r ye a s yt ob ed i s t o r t e d t h i sa r t i c l ef o c u s e so i lt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h es i g n a li n t e g r i t yp r o b l e m su n d e r h i g h s p e e dc o n d i t i o n t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： 1 t os o l v et h ep r o b l e m so fs e r i o u sr e f l e c t i o nn o i s eo ft h ed i f f e r e n c ec l o c ks i g n a lu n d e r t h e h i g hs p e e dc i r c u i t ，a ni m p r o v e d d i f f e r e n t i a l s i g n a l t e r m i n a t i o n d e s i g n i s p r o p o s e d b y i n t r o d u e i n gt h es i n g l ee n d e di m p e d a n c em a t c h i n gt ot h ed r i v e ，i no r d e rt os u p p r e s s t h er e f l e c t i o nn o i s e a tt h es a m et i m e ，af u r t h e ra n a l y s i so nt h ei n f l u e n c eo ft h ei m p r o v e m e n t d i f f e r e n c et e r m i n a t i o nd e s i g nb yt h es i g n a lf r e q u e n c ya n dt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea r em a d e w em a k eas i m u l a t i o na n a l y s i so nh i g h s p e e db o a r d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tw h e n t h es i g n a li sl e s st h a n5 0 0m h z , c o m p a r i n gt ot h ec o l n n l o na l t e r n a t i n gc o u p l i n gt e r m i n a t i o n d e s i g n , t h ei m p r o v e m e n tm e t h o dr e c e i v e st h es i g n a lo v e r s h o o tr e d u c e db y10 9 ，a n d i m p r o v e st h ed i f f e r e n c ec l o c ks i g n a lq u a l i t yi nt h eh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , a n d v e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so f t h ed e s i g n 2 t os o l v et h ee r o s s t a l kn o i s ep r o b l e m si nt h eh i g h - s p e e dc i r c u i t , f i r s t l yw ea n a l y z et h e e r o s s t a l kn o i s ei n f l u e n c e so fs e v e r a lc o m m o np a r a m e t e r s ，s u c h 舔l i n es p a c i n g , l i n ep a r a l l e l l e n g t h , a n dm e d i u mt h i c k n e s s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n , d e s i g n ss h o u l dm e e tt h e c o n s t r a i n tc o n d i t i o n so ft h o s ec o m m o np a r a m e t e r s a n dw em a k es i m u l a t i o na n a l y s i sa f t e rt h e w i r i n gt oc h e c kt h ec o n d i t i o n s s e c o n d l yw es t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n tt e r m i n a t i o n d e s i g na n dv i as p a c i n go fp r o t e c t i o nz o n ea b o u te r o s s t a l ki n h i b i t o r ye f f e c t t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tr e a s o n a b l et e r m i n a t i o nd e s i g na n dv i as p a c i n go fp r o t e c t i o nz o n ec o u l d s u p p r e s s er e s o n a n t i tp r o v i d e si m p o r t a n td a t af o rt h ea c t u a lc i r c u i td e s i g n 3 t os o l v et h et i m i n gp r o b l e m si nh i g h - s p e e dd r c u i t , i te s t a b l i s h e st h es i m u l a t i o n p l a t f o r mi nh y p e r l y n xt h r o u g he f f e c t i v ed e v i c em o d e l ( i b i sm o d e l ) i tm o d i f i e st h es e t - u p t i m ea n dt h eh o l dt i m ep r o v i d e db yd e v i c ed a t ah a n d b o o k , s ot h eo u t p u td e l a yo ft h ec l o c k s i g n a lc a nb ed e t e r m i n e d m o r e o v e r , b a s e do nt h et i m i n gr e q u i r e m e n t so fd s pa n ds d r a m ， d e s i g n ss h o u l dm e e tt h ew i r i n gc o n s t r a i n tc o n d i t i o n so ft h ep c bl a y o u t h e n c e , l a y o u t e n g i n e e r sc a l l1 1 8 0o u rp r o p o s e dr u l e r st od e s i g nt h e i rb o a r d 4 t os o l v et h ep o w e r i n t e g r i t yp r o b l e m so ft h eh i g h s p e e dc i r c u i t ，t h ea r t i c l ep r o p o s e sa m e t h o do fi n h i b i t i n gp a r a l l e lr e s o n a n to fp d n t h r o u g hi n c r e a s i n gd e e o u p l i n gb r a n c hl o s s n i n t r o d u c e sas e r i e sr e s i s t a n c ei n t ot h ed e c o u p l i n gb r a n c ht om a k ep d nl o s si n c r e a s e ，w h i c h s u p p r e s s e sp d np a r a l l e lr e s o n a n t t h et h e o r e t i c a lm o d e li sp r o v i d e da n ds u p p o r t e db y s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to nh y p e r l y n xp is o f t w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h eq u a l i t yf a c t o ro f p d na tp a r a l l e lr e s o n a n tw i l lb ei n h i b i t e df r o m2 8 2t o13t h r o u g hi n t r o d u c i n gao 4 5q r e s i s t a n c ei n t od e c o u p l i n gb r a n c h t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ee f f e c t so ft h ei n t r o d u c i n g r e s i s t a n c et o d e e o u p l i n g w h e nt h ei n t r o d u c i n gr e s i s t a n c ei s l e s st h a n0 4 5qi tc a n c o m p e n s a t ef o rt h ei n f l u e n c eo fd e e o u p l i n gt h r o u g hd o u b l i n gt h en u m b e ro fd e c o u p l i n g c a p a c i t o r s k e yw o r d s ：s i g n a li n t e r g r i t y ，r e f l e c t i o nn o i s e ，c r o s s t a l kn o i s e ，t i m i n ga n a l y s i s ， p o w e r - s u p p l yd i s t r i b u t i o nn e t 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着高速电路系统的集成度和复杂度的提高，信号完整性( s i ) 问题越来越突出。 印刷电路板( p c b ) 的互连线已不能看成简单的连接导体，而是具有分布参数和介质耗损 的传输线。信号在传输线中传送会受到分布参数的影响。同时，电路布线密度的增加， 使得高速信号在p c b 中传输受到的干扰因素越来越多，如串扰、反射、开关噪声、地 弹噪声以及电磁干扰( e m i ) 等等。因此，如何有效地综合或者独立地分析各种因素对 信号的影响成为了高速电路设计的主要瓶颈。由此可见，信号完整性问题是每个工程设 计和相关科研人员所必须面对和亟待解决的问题。 分析高速电路信号完整性问题的目的是确保系统中信号能够有效地传输。也只有对 电路的信号完整性进行有效地分析，才能确保电路设计的成功率以及系统的可靠性和稳 定性，缩短电路的开发周期，减少成本支出，有效地为系统升级留出设计余量。 1 2 高速数字电路的信号完整性 所谓高速电路是指脉冲信号上升沿时间小于5 n s 的电路【啦】。一般情况下频率越高， 信号上升沿时间越小。因此常认为当电路中信号频率高于1 0 0 m h z 或者上升沿时间小于 5 n s 时为高速电路。目前，数字电路逐渐朝着大规模、小体积、高速度的方向发展，超过 一半的数字系统的时钟频率高于1 0 0 m h z ，部分数字系统的时钟频率甚至达到几十g h z 。 高速电路已经成为电路系统的主导 信号完整性广义上指信号在传输线上的质量，即信号在电路中以正确的时序和电压 做出响应的能力【3 5 】。如果信号以要求的时序时间和电压幅度到达接收器，就表明该电路 系统具有较好的信号完整性。反之，当互连线上的信号失真，信号不能正常响应时称为 信号不完整。 信号不完整问题是物理互连在高速下的结果。设计低速电路时，互连可以忽略互连线 的寄生参数，将互连线等效为金属导体。但是，在高速电路中，芯片间的互连线、布线 间的通孔、封装后的引出线等都会引起线上或线间的寄生或耦合参量。在传输过程中， 信号质量会发生明显的畸变，严重时会削弱或破坏信号完整性，使得系统工作在不可靠 的状态，导致逻辑错误出现【6 】。 根据信号受到的影响不同，信号完整性问题分为单一网络的反射问题，多个网络的 串扰问题，时序问题以及电源完整性问题。 1 ) 反射 反射是指信号在传输过程中遇到阻抗突变，产生反射信号的现象。传输线线宽的改 第章绪论 变、端接不当、过孔等的引入都会导致反射发生。反射信号在传输路径上来回传递，引 起振铃噪声，使得信号失真，严重时会导致系统无法正常工作【7 8 】。反射是电路系统不 可避免的问题，因此反射噪声抑制是信号完整性分析的核心问题之一 2 ) 串扰 串扰是指信号传输时，由于临近传输线的电磁耦合而引起不期望的电压和电流 9 j o 。目前，随着电路系统集成度的增加，信号问距越来越小，并且信号电压幅度越来 越低，因此串扰噪声越来越严重。p c b 板层的参数和叠层结构、信号线间距、驱动端 和接收端的电气特性对串扰都有一定的影响，串扰噪声过大会引起电路的误触发，导 致系统异常，因此串扰噪声抑制也是信号完整性分析的关键问题之一。 3 ) 时序 时序指当驱动端传输的信号能被接收端有效采集和锁存时，互连设计所需要满足的 一系列时间关系。信号在传输过程中，信号传输必须满足合理的建立时间和保持时间， 才能有效地被接收端采集，确保系统各模块间数据信息有效地传递【l l 1 2 】。许多硬件工程 师都会遇到，当采用同功能高速率的新器件替代老器件后，长期稳定的系统出现异常。 归根揭底是因为新器件的快速响应能力，减少了系统时序余量，从而使得系统时序混乱。 故时序分析是高速电路信号完整性问题的重点和难点。 舢电源完整性 电源完整性指电源对需求电流的响应情况以及电源纹波幅度【1 3 1 。稳定的电源是保证 系统具有良好鲁棒性的充要条件。电源完整性分析的核心目的是提高电源的稳定性，关 键在于电源分配网络( p d n ) 的合理设计。 1 3 信号完整性的分析方法 信号完整性分析主要是对高速电路单元间的互连结构做时域和频域响应分析。根据 分析模型不同，信号完整性分析方法分为电路分析方法、电磁场分析方法以及路和场结 合的分析方法。 1 3 1 电路分析方法 电路分析方法是已知电路结构、元件参数和激励来求解电路中某点电压电流的响 应，即根据基尔霍夫k c l 、k v l 定律、支路电流法、节点电压法以及戴维宁定理及诺 顿定理等最基本的电路理论对电路进行分析。从简化分析的角度来说，其实电路分析可 看成作为电磁场分析的特殊形式。 电路分析方法只需分析模块间的拓扑结构，而考虑模块间的几何互连线。当然也正 是因为电路分析方法没有考虑单元问的几何关系，忽略了传输线结构在高频条件下形成 的分布参数，从而使得电路分析方法不再适合高速复杂的p c b 电路设计。 目前常用的软件有美国国家仪器公司( n i ) 的m u l t i s i m 软件，加拿大交互图像技术 公司( i n t e r a c t i v ei m a g et e c h n o l o g i e s ) 推出的具有良好兼容性的e w b 软件，美国m i c r o s i m 公司的p s p i c e 等等。 第一章绪论 1 3 2 电磁场分析方法 随着信号频率的不断提高，p c b 中的互连线形成了一个错综复杂的电磁场问题。 简单的电路分析方法以及不能满足信号分析的需求。 电磁场分析是对建立的系统模型进行电场、磁场特性分析的过程。因此电磁场分 析问题就是求解麦克斯韦方程组的过程。电磁场数值计算是指当场域的几何特征比较 复杂时，将连续电磁场转换为离散电磁场，并对其求解，用近似的方法来求解连续 场。电磁场数值分析虽然已经简化了应用解析方法，但仍然需要很大的计算量。 由于麦克斯韦方程组可以写成微分和积分两种形式，因此电磁场的数值分析方法 可分为积分方程法和微分方程法。其中积分法包括边界元法( b e m ) 【1 4 】、矩量法( m o m ) 5 。矩量法是在给出电位分布函数和格林函数的条件下求解电位分布函数和电荷分布 函数所满足的积分方程。矩量法的优点是未知量少，网格剖分灵活，在格林函数可获 得情况下能求解开域问题，其生成的线性系统系数矩阵为满阵，从而增加了内存复杂 度和计算复杂度。边界元法是边界积分法和有限元法结合的产物。这两种算法在求解 的过程中都要涉及格林函数的求解，而三维复杂结构的格林函数求解非常困难，使其 应用有一定的局限性。 微分法包括有限元法( f e m ) 【1 6 1 、有限差分法( f d m ) 【 】、时域有限差分法( f d t d ) 1 8 , 1 9 、传输线矩阵法f i l m ) 2 0 】等等，这些算法的原理都是将研究对象划分成若干细小 的网格，在每个网格上实现方程求解。其中，有限元方法不仅具备模拟任意形状几何 结构、任意复杂材料特性的强大能力，还具有适合并行计算、程序通用性强等诸多优 点而得到广泛应用，其生成的线性系统系数矩阵具有高度稀疏性，是数值算法中较为 成熟的算法；由于采用网格划分的方法，差分法对结构适应性很强，该应用在复杂结 构的计算中日趋广泛。 目前常用的软件有c s t 公司的c s tm i c r o w a 、偃s t u d l 0 ( c s tm w s ) ，a n s o f t 公司的h f s s ( 基于有限元法) 等等。两款软件广泛应用于信号完整性电源完整性 ( s i p i ) 、电磁兼容电磁干扰( e m c e m i ) 、静电放电( e s d ) 、时域反射计( t d r ) 以及各种天线的仿真。 1 3 3 综合分析方法 电路分析方法忽略单元间的几何关系在高速情况下形成的分布参数，不适宜高速 电路仿真。电磁场分析方法的数值计算需要耗费大量时间和内存空间，系统中各种各 样的接口仿真越来越复杂。高速电路的信号完整性分析包含场和路两个部分，两者各 有各的特点，为了克服各自的劣势，可以采用将电路分析和电磁场分析相结合的综合 分析方法。 与低速电路系统相比，最大的不同点是高速电路中传输线的特性分布参数元件。 如果将电路分析和电磁场分析的方法相结合，对单元问的互连结构进行电磁场分析， 提炼出互连结构在高速下形成的分布参数元件，并将这些分布参数元件应用到电路分 析方法中这样即避免了磁场分析的复杂度，又考虑了高频的分布参数，因此场和路 第一章绪论 相结合的方法在板级仿真上得到了广泛地应用。 常用的综合分析方法包括部分元等效电路法( p a r t i a le l d n e n te q u i v a l e n tc i r c u i t ， p e e c ) 2 1 1 、传输矩阵法( t m m ) 1 2 2 】等。p e e c 法是将三维空间的电磁结构等效为大量电 阻、电容和电感等集总元件构成的网络，利用电路分析方法来分析结构的特性；t m m 方法是一种二维传输线方法，它根据结构形状将电源地平面分成很多小单元，每个小 单元用简单的电阻、电感、电容、电导( r l c g ) 电路来表示，以每列单元格的传输矩阵 ( 又称a b c d 矩阵) 为纽带建立各端口之间的电路模型。 本文采用的是基于t m m 方法中分割的小单元r l c g 电路模型来分析在实际高速电 路板卡中互连线传输特性，从而确定有效改善高速电路信号完整性的设计方案。 要对高速电路的信号完整性进行有效地仿真，不仅要有合理的传输线模型，而且 要建立正确的器件模型，即s p i c e 和i b i s 模型。 s p i c e 模型是对电路中实际的物理结构进行描述。优点是分析精度高；缺点是仿 真时间长且模型不易获得。而i b i s 模型是一种行为模型，通过v i 和曲线来描述 电子器件管脚的输入、输出的电气特性，是元器件在特定负载、特定封装条件下的输 入输出行为，而非实际的电气组成【2 3 弘】。优点是仿真速度快、模型易获得，仿真时间 一般仅为s p i c e 模型的l l o - 1 1 0 0 ；缺点是分析精度主要取决于i 和表的数据点 数和数据的精确度。模型一般由器件厂家提供，测试精度能够保证仿真有效，因此 i b i s 模型很适合系统级互联的设计。 如何选择一个合适的仿真工具也是非常重要的。首先是考虑软件与所选择的仿真 模型是否兼容。其次考虑软件是否具有所需性能分析以及操作是否便捷。常用的信号 完整性软件有：h y p c d y n x 仿真软件能够兼容m e n t o r p r o t e l c a d e n c e 等各种格式的p c b 文件和i b i s 、s p i c e 模型文件，支持各种传输线的阻抗规划与计算；c a n d e n e e 公司的 a l l e g r o 软件是业界应用最为普遍的高速p c b 仿真工具，板级设计的工业标准；a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 软件是美国a # l e n t 公司推出的，适用于射频、微波和信号 完整性应用。本文主要是借助以上三个分析软件对信号完整性问题进行分析。 1 4 信号完整性的研究现状 自从上个世纪电路技术快速发展以来，学者就不断地开发各种电路仿真软件，并 加载成熟的数值分析算法，对电路p c b 板设计进行仿真分析。对于实际的p c b 板设 计、板间高速互连及不连续性设计的研究，学者们也做了大量工作。 首先，文献 2 5 2 9 对于传输线结构的建模研究自上世纪四五十年代就己经开始， 发展到现在已经有了完善的理论与方法文献 3 0 - 3 1 1 对高速互连线的一些电特性进行 分析与研究。与单一传输线相比，差分对能更好地抑制噪声。文献 3 2 3 5 对于差分对 的阻抗匹配、串扰、延时以及电磁干扰等特性进行了研究其次，针对信号完整性的 反射、串扰和时序研究。 1 反射的研究现状 针对反射问题，文献 3 6 】对e c l 信号在传输线上的多次反射及其波形进行预测； 第一章绪论 文献 3 7 1 对传输线的多重反射和串扰的理论进行了建模，分析其产生的原理；文献 3 8 】 研究了传输线上有限跃变速率信号经非线性电阻边界反射后，其反射波边沿的畸变现 象；文献【3 9 定义了不同传输线间的反射系数与透射系数，求出了反射系数和透射系数 的表达式；文献【4 0 】根据无畸变传输线上行波的传播和反射规律，运用拉氏变换的时域 卷积定理计算终端的反射波，分析反射噪声的各种影响因素。 2 串扰的研究现状 串扰是需要重点考虑的s l 因素之一，文献 4 1 1 研究了对共地平行传输线问的串扰 耦合，给出耦合响应与信号频率、线间距及线距地高度的关系；文献 4 2 1 从频域的角度 分析和抑制a d s l 系统中近端串扰噪声；文献 4 3 】用修讵后的传输线方程对垂直的导体 间的串扰进行了频域模拟，通过反傅立叶交换得到时域信号；文献 4 4 1 研究了在非平行 传输线间加入蛇形防护线串扰的影响，并对蛇形防护线的一般结构进行改进，采用间隔 较小的不规则蛇形线，并在蛇形线上加入短路过孔，从而进一步减小了远端串扰。文 献 4 5 】应用时域有限差分法对非均匀传输线间的串扰耦合进行分析。基于细线散射的时 域有限差分法分析非均匀结构时，采用阶梯式均匀传输线模型，对非均匀传输线进行 分段逼近。针对不等长、线径变化、非平行线和交叉线4 种情况分析其参数变化对串扰 的影响。文献 4 6 】从时域上分析了一端开路的保护线对串扰噪声的影响。 3 时序的研究现状 时序仿真是电路分析不可或缺的部分，文献【4 7 】介绍了时间分析系统，通过计算传 输延时来检测超大规模电路逻辑行为。随着高速电路的快速发展，寄生电感和电容引 起时间的不确定性，是时序分析的瓶颈。文献 4 8 】对高速电路p c b 板进行静态时序分 析，从而验证的集成电路设计。文献【4 9 】首次将时钟信号的抖动时间引入到时序分析 中文献【5 0 】详细讨论了在高速p c b 设计中最常见的公共时钟同步和源同步电路的时 序分析方法，并结合宽带网交换机设计实例在c a d e n c e 仿真软件平台上进行了信号完整 性仿真及时序仿真得出用于指导p c b 布局、布线约束规则的过程及思路。 4 电源完整性的研究现状 针对电源完整性的研究，国内外学者进行了大量的研究。文献 5 1 1 提出了基于目标 阻抗的电源分配网络设计方法，为了确保电源分配网络在工作频率内具有良好的低阻 抗，引出了如何分配去耦电容的问题；文献【5 2 】中研究了电容容值对p d n 的影响，不 同容值对应不同的串联谐振点，在串联谐振点处p d n 等效电阻最小；文献 5 3 1 研究了 电容数量对p d n 的影响，电容并联数量越多，串联谐振处p d n 等效电阻越小；文献 5 4 - 5 5 1 研究了去耦电容放置位置对p d n 的影响，当去耦电容放置在电源引脚附近时， p d n 等效阻抗较小。但是上述方法中的分立去耦电容存在寄生电感，p d n 在高频处会 产生并联谐振，且p d n 谐振时会产生高阻抗【5 6 1 。为了避免这种高阻抗，文献【5 7 5 8 】采 用嵌入式埋入电容去耦，但是花费很高且难以实现。文献 5 9 6 1 采用e b g 电磁带隙结 构代替分立电容。由于没有管脚引线，电感效应低，有很好的去耦能力。但e b g 结构 的引入会影响电路的信号完整性；文献【6 2 】采用并联型有源电力滤波器( p a p f ) 抑制 p d n 产生的谐振，但p a p f 结构复杂，常用于大型的配电系统中；文献 6 3 】在电容支路 引入电感元件，通过控制谐振点抑制谐振产生。该方法只是将并联谐振从一个频点转 第一章绪论 移到另一个频点。 由于近年来信号速率、需求电流的增加，以及电压幅度和响应需求时间的减少， 使得电源完整性问题越来越突出。它比信号完整性分析起步要完，最近几年才逐渐有 电源平面和地平面的建模。目前，三维建模软件的快速发展必将会推动电源完整性研 究的步伐，也只有依托于精确的建模基础才能更准确地分析电源完整性问题。 1 5 论文的主要工作及创新点 1 5 1 课题研究背景 本文以高速数字电路板卡的设计与分析为研究背景，整个高速信号处理系统框图 和实物图，如图1 1 和1 2 所示。高速数字电路板卡，是由f p g a 和d s p 协同合作完成 的，其应用功能是采集数据、处理数据和显示数据。操作流程：待处理的单端信号通 过差分驱动器转换为差分输入信号，同时晶体时钟通过差分时钟驱动器转换为差分时 钟并作为a d 模数转换芯片的参考时钟信号，差分输入信号经a d 转换后送给f p g a 做 预处理，最终经d s p 做核心处理。板卡介质材料为f r 4 ，传输线的材质为铜。 图1 1 高速信号处理系统框图 图1 - 2 高速信号处理系统实物图 为了保证板卡能够正常工作，在设计初期对板卡的关键信号进行完整性分析。 1 ) 差分时钟芯片到a d 模数转换芯片间的差分端接设计； 2 ) d s p 与s d r a m 的通信部分。 因此，本文主要针对以上两点进行信号完整性进行展开。 第一章绪论 1 5 2 论文的工作安排 本文主要针对高速数字电路板卡的信号完整性分析展开工作，对高速电路板卡中 存在的反射、串扰、时序和电源完整性四个信号完整性问题进行了分析和研究。给合 所做的工作，论文的结构安排如下： 第一章介绍了高速电路信号完整性的研究现状以及常用的分析方法，为本文研究 工作打下基础。 第二章研究了信号完整性的传输线、反射、串扰、时序以及电源完整性理论产生 的机理以及抑制措施，为高速电路板卡的信号完整性分析提供了理论基础。 第三章针对系统中差分时钟信号反射噪声严重的问题，即针对a d 采集模块的差分 时钟信号互连设计，提出了一种改进的端接设计；针对d s p 与s d r a m 问的互连结构 进行合理的端接设计 第四章针对高速电路中存在的串扰问题，首先，详细地分析了线间距、线并行长 度、介质厚度等参数对串扰噪声的影响，从而确定抑制串扰噪声的约束条件；其次， 分析了引入不同端接、孔问距的隔离带对串扰抑制效果的影响。 第五章针对高速电路的时序问题，借助h y p e d y n x 仿真软件修正了时序条件，分析 d s i 和s d r a m 间的时序要求，从而确定满足电路要求的p c b 布局布线的约束条件。 第六章针对高速电路的电源完整性问题，提出了一种抑制去耦电容并联谐振的方 法，即增加去耦电容支路等效电阻的方法。借助h y p e r l y n xp i 将提出的方法引入到 d m 6 4 2 板卡的电源完整性分析中，确定最终的去耦电容方案。 第七章对全文进行了总结并对未来信号完整性的发展方向进行了展望。 1 5 3 主要创新点 本文的主要创新点包括： 1 ) 针对高速电路中差分时钟信号反射严重的问题，提出了一种改进的差分端接设 计，将单端阻抗匹配电路引到驱动端，达到抑制反射噪声的效果。同时，进一步分析了 信号频率、传输距离对改进端接设计的影响。并在高速采集板卡中进行仿真实验。仿真 结果表明：当信号小于5 0 0 m h z 时，与常用的交流耦合端接设计相比，改进的端接设计 中接收信号过冲最大减少了1 0 9 * 4 ，反射噪声得到抑制，改善了高速数据采集系统中差 分时钟信号质量，验证了改进端接设计的有效性。 2 ) 针对高速电路的电源分配网络( p d n ) 中，由于去耦电容等效电感的影响会诱 发并联谐振，无法保证p d n 维持低阻抗。为此，提出一种增加去耦支路损耗抑制p d n 并联谐振的方法。该方法通过在去耦支路引入一个串联电阻，使p d n 的损耗增加，从 而抑制p d n 并联谐振。文中给出了理论模型，借助h y p e r l y a xp i 仿真软件在d m 6 4 2 板卡上进行仿真实验结果表明，在去耦支路引入一个0 4 5 t 1 电阻，将p d n 并联谐振 处的品质因数q 从2 8 2 抑制到1 3 。同时，分析了引入电阻对去耦效果的影响。当引入 电阻小于0 4 5 q 时，可通过加倍去耦电容并联个数来补偿引入电阻对去耦的影响。 第二章高速电路的信号完整性 第二章高速电路的信号完整性 要做好信号完整性分析，必须明确高速电路信号完整性问题所在。首先，介绍了高 速情况下传输线理论。其次，对反射、串扰、时序以及电源完整性四方面的信号完整 性问题进行了理论研究。 2 1 信号完整性中传输线理论 2 1 1 单一的传输线 1 传输线模型 低速电路中，可以将信号互连线看成简单的金属导体，互连线的长短对传输信号 的影响可以忽略。因此，低速互连线模型由电阻、电容、电感组成的集总参数模型。 其特点是信号传输是瞬间完成的，信号不失真。 但在高速电路中，信号互连线的长度与信号上升沿的有效长度是可以比拟的。故 信号传输时间不可忽略。因此，集总参数模型已不能正确反映互连线的传输特性。此 时，互连线被称作传输线，采用分布参数的传输线理论模型。为了获得传输线中信号 随时间和位置的变化规律，首先要建立传输线理论模型，然后根据模型中电压、电流 的函数关系来分析信号在互连线中的传输规律。 当频率高于1 0 5 h z 时，趋肤效应会导致分布电阻的存在；导线中电流的快速变化 产生磁场，导致导线中存在分布电感；导线中电压的变化产生电场，导致导线中存在 分布电容；导线中非理想介质存在漏电流，导致导线中存在分布电导。因此，传输线 模型是由多个电阻r 、电感工、电容c 和电导g 组成的r l c g 分布参数模型。单一长 度d z 的传输线模型，如图2 1 所示。 _ d z + 图2 1 单位长度的传输线的r l g c 分布参数模型 通过z 点的电压为u ( z ，t ) ，电流i ( z ，t ) ，经过d z 的导线后电压变为“0 + 止，t ) ， 电流变为u ( z + a z ，f ) 。由基尔霍夫定律可知： ( 2 1 ) 些西 d 一 加一 堕西e 西一 + d + 嵫 卜 业 z ： 心 础 尺 “ 叫 皤 弘 = f ) 缸 蚶 “ 也 弘 + “ 乜 叫 饿 ) 卜 。 d z ，：、 啦 她 第二章高速电路的信号完整性 两边都除以a z ，且取a z 寸0 ，整理得： l 一掣瑶啦力+ 掣 i 一1 0 i ( z 广, t ) - g 叫( 纠) + c1 i g u ( z 广, t ) 将上式表达为复数形式： l 一_ d u ( z ) ：( 尺+ 舭) 似z ) f 一d l ( ；- z ) ：( g + j w c ) u ( z ) 已知对式( 2 3 ) 两边的z 求导可得： ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 其中k = 歹彩三c ，整理可知电压、电流函数解为： f u ( z ) ：u + e - b + u p + b 1 ，( z ) ：，+ p b + i - e + b ( 2 - 5 ) 式中+ 、符号代表入射、反射波的传输方向；u + 、u 一、，+ 、厂分别为电压或电流 入射波以及反射波的幅度；u ( z ) 、i ( z ) 分别代表传输线中任意处的电压、电流。 2 传输线的特性参数 传输线的特性参数主要包括特性阻抗而和传输延时乃。 i ) 特性阻抗的理论推导 单端传输线的特性阻抗为传输线某点处瞬间电压与瞬问电流之比，则知： z o = 等寺( 2 - 6 ) 根据式( 2 - 5 ) 和( 2 6 ) 整理可得： z o 苄= 孚器 弘乃 当传输信号频率b 1 0 m h z 时，式中r 、g 的值远远小于l 、c 的值，则： 厅 z 0