（光学工程专业论文）高速光互连电路的信号完整性研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着集成电路和印制电路板加工制造技术的不断提高，越来越 多性能强大、功能丰富的高速电子产品纷纷出现。与此同时，电路系统中的 信号完整性现象也日益成为系统设计过程中不可忽视的问题，由它带来的信 号畸变、信号延迟以及幅度衰减等现象已逐渐成为制约电子系统性能、影响 电子系统正常工作的重要瓶颈。为了解决信号完整性问题，设计者需要在产 品的规划、设计和成品调试的各个阶段，发现问题和解决问题。 本文结合激光驱动芯片的设计，研究利用仿真手段在产品的设计阶段发 现和解决信号完整性问题的方法。利用c a d e n c es p e c t r a q u e s t 软件仿真了串 扰、反射等信号完整性问题，将信号完整性分析贯穿于p c b 的设计始终，对 初始的设计进行了修改，解决了一些潜在的高速互连问题，为日后高速电路 的设计提供了重要的指导。 同时本文针对光互连系统搭建了物理测试平台，以验证光互连在信号完 整性问题上的优缺点，作了光互连抖动的测试，单路串行数据达到了2 g b p s 传输速率，利用数字示波器抖动测试功能测试了由信号完整性所导致的信号 抖动参数，从获得的各项参数得出，光互连系统损耗小，信号能够被传输的 更远。 关键词：光互连；信号完整性；串扰；反射 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i ta n dp c br e c e n t l y , m o r ea n d h i g h e rs p e e dp r o d u c t so fp o w e r f u lf u n c t i o na p p e a r e d m e a n w h i l e ，t h es i g n a l i n t e g r i t yh a sb e e nan o n - i g n o r a b l ep r o b l e m t h es i g n a ld i s t o r t i o n 、d e l a ya n dr a n g e a t t e n u a t i o nh a v eb e e n l i m i t i n gf a c t o r s i no r d e rt os o l v et h es i g n a li n t e g r i t y p r o b l e m s ，t h ei s s u es h o u l db ef o u n da n ds o l v e di nt h ep r o c e d u r eo fp l a n n i n ga n d d e b u g g i n g mm e t h o dw a sl e a r n e di nt h ed e s i g n i n gp r o c e s sb a s e do nt h el a s e rd r i v 吐 w h i c hc a ns o l v et h es i g n a li n t e g r i t yp r o b l e m s t h es i g n a l i n t e g r i t yp r o b l e m s w e r es i m u l a t e d 、 ，i t l lt h ec r o s s t a l ka n dr e f l e c t i o n n ep r e v i o u sd e s i g nr e s u l tw a s m a d eo v e r t h e r ew e r ea l s om a n yp o t e n t i a lp r o b l e m sw e r es o l v e dw h i c hw o u l d s u p p o r tt h ed e s i g n i n go ft h ec i r c u i t n l eh a r d w a r ep l a t f o r mw a ss e tu pi no r d e rt ov a l i d a t et h es i g n a li n t e g r i t y p r o b l e m s j i t t e rw a st e s t e da n d2 g b p ss i g n a lw a st r a n s m i t t e d t h e r ew a sa c o n c l u s i o nt h a tt h eo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nh a dt h ep r e f e r a b l ep e r f o r m a n c e t h e s i g n a lc a nt r a n s m i tf a r t h e ri nt h eo p t i c a lc o n n e c t i o ns y s t e ma n dt h el o s si sa l w a y s f e w e r k e yw o r d s ：s i g n a li n t e g r i t y ；r i n g i n g ；c r o s s t a l k ；r e f l e c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：石心易 日期：a 砷年弓月名目 f 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 仞在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：二易式爰导师( 签字) ：, t q - ，i 专 日期：a 叩年多月，彳日五向年岁月f 日 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 光互连技术发展现状 随着集成电路技术的高速发展，芯片内部的数据处理能力不断提高，使 得以铜线为基础的系统互连技术面临挑战。板间或者框间的互连主要是电互 连和光互连。电互连是制约系统性能的重要瓶颈，采用电互连的系统如果要 进一步提高传输带宽，通常采用两种方法：一种是增加铜线互连线的数量， 随之带来的问题是电路管脚数目越来越多，p c b 层数增加布线困难，不可避 免增加系统成本；另一种方法是提高系统工作频率，但电路速度的提高是非 常有限的，带来的信号完整性问题同样增加了系统设计难度和成本t 1 1 。光互 连相比于电互连，具有带宽高，损耗小，基本不存在串扰、电磁兼容等优点。 光互连在骨干网传输中已经得到了广泛的应用，并且大容量光互连技术在板 间、框间甚至芯片间的互连中显示了一定的应用前景。 随着电子系统中逻辑和系统时钟频率的迅速提高以及信号边沿不断变 陡，信号完整性问题对系统电气性能的影响也越来越重要。在高速设计时， 必须面对互连延迟引起的时序问题以及串扰、传输线效应等信号完整性问题。 处理高速数字系统的反射和串扰问题一直是一个令人头疼的问题，特别是在 今天，越来越多的v l s i 芯片工作在1 0 0 m h z 频率以上，4 5 0 m h z 的c p u 也 广泛应用，上1 0 0 g h z 的l s w 开始在通讯系统中的应用。信号的边沿越来越 陡( 已达到p s 级) ，这些高速器件性能的提高也给高速系统的设计带来了困难。 因此信号完整性中的问题己经成为新一代高速产品设计中越来越值得注意的 问题。 1 2 国内外动态 将信号完整性设计深入地融入到产品开发中，尤其是高速p c b 设计当 中，最终为产品设计提供优化的解决方案，已经成为产品成功的关键一环。 必须有针对性的设定参数值，进行全面的系统级仿真，然后再去制作硬件。 1 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 这样才有可能做出性能好的产品，并尽快推向市场。准确地进行高速数字电 路系统信号完整性分析和设计，是目前国际上尚未很好解决的难题，超宽频 ( j h 直流一直到微波毫米波) 的快变信号，加上纵横交错的超细微互连封装结 构，构成一个复杂的电磁场问题，为分析带来了很大的困难。尤其是对一些 复杂的互连结构( 不均匀，不连续，三维立体互连等) 则更缺乏广泛深入的研 究。目前由互连系统的分布耦合，色散效应，不连续性等导致的串音干扰， 信号畸变，由超细微互连结构带来的大传输损耗，以及以多激励，多负载， 多i o 数为特色的大型复杂网络的电磁仿真等问题仍未得到很好的解决。为 此国内外从事这一领域的工作者做了大量的信号完整性研究工作。近几年来 由于高速系统的结构日渐复杂化，以电路方法解决问题有一定困难，另一方 面由于计算机设备的日渐完善，可满足大容量计算的需要，因此电磁场直接 模拟的使用逐渐增多。 国外有报道将多个大型计算机并行使用并以f d t d 方法进行多层p c b 板 的电特性模拟，另有报道用电磁场直接模拟分析高速电路中的信号响应及同 步开关噪声。此外，也有报道将整个聚敛系统链路划分为若干子链路，每个 子链路分别采用基于测量的建模方法，然后将所有子链路的模型链接在一起， 获得一个完整链路的模型。该报道的背板为八层3 5 r a m 厚的r 0 4 3 5 0 板，所 研究的背板传输线为4 0 c m 长的边沿耦合带状线。但是使用该方法仿真的几 个难度取决于基于测量的模型精度，而且它需要对接插件，连接电缆，过孔， p c b 板互连分别进行测量建模，分析过程比较复杂。 信号完整性工程设计在国外已是一种专门的职业。 i n t e l ，c i s c o ，m o t o r o l a ，a m p , l u c e n t , i b m ，肿等许多公司都已有自己 专职的工程师，另外，几乎每个产品的开发团队中都有专职或兼职的c a d s i 设计人员，他们和电路设计工程师协同工作，解决产品中经常出现的高速高 密度设计问题。 国内在该领域除了极个别知名企业有这种专门团队进行过多年的探索研 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 究外，其他几乎还是个空白，这就带来了很多问题，已经引起了国内同行的 重大关注。 1 3 课题背景 本课题受2 0 0 7 年度国家8 6 3 项目“芯片一芯片并行高速高密度光互连关 键技术 的资助，该项目主要采用边缘发射激光器和检测器的技术，实现可 插拔高速高密度光电收发模块。本研究的主要成果是服务于高性能计算机的 开发与应用。高性能计算机的开发主要是应用并行计算的模式，用以实现大 数据量的并行分布传输功能。并行计算机主要能够分为两类：共享主存多处 理机( m p 机m u l t i p r o c e s s o r s ) 和分布主存大规模并行机( m p p 机m a s s i v e l y p a r a l l e lp r o c e s s o r s ) 。大型机( 高性能计算机) 的处理速度一般在每秒1 0 0 0 亿1 0 0 0 0 亿次的运算，因此这巨大数据量的传输要求使得电互连遇到了前所 未有的阻碍，甚至可以说是难以逾越的。中科院计算所研制的“曙光”高性能 计算机正是遇到了这样的问题，因此迫切需要采用光互连来解决这其中的数 据传输问题，从而进一步提高高性能计算机的运算速度和传输存储能力。 1 4 课题研究的内容 本文主要以信号完整性的研究为出发点，在c a d e n c e 软件仿真环境下， 以激光驱动器测试电路板的设计为依据，对高速电路进行信号完整性仿真， 分析和解决潜在的问题。主要研究内容有阻抗匹配对信号反射的影响，线间 距对串扰噪声的影响，上升沿的变化对近端和远端串扰噪声的影响，微带线 和带状线对传输信号的影响。同时建立光互连系统的硬件平台，实现了单路 串行传输2 g b p s 的传输速率，利用数字示波器抖动测试功能测试了由信号完 整性所导致的信号抖动问题，很好的验证了光互连系统的性能，并进行了相 关的数据分析，论文的章节安排如下： 第1 章：绪论 第2 章：光互连系统设计及信号完整性研究 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第3 章：高速光互连电路的仿真分析 第4 章：光互连系统的硬件测试与分析 4 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 第2 章光互连系统设计及信号完整性研究 虽然在过去的几年中，光互连的系统结构变化很少，但是模块结构和集 成程度已经改变了很多。在i c 技术改革的推动下，伴随着社会对高性能计算 的要求，这些改变引入了一系列的挑战，要求新的电路、新的器件和结构工 艺的出现1 4 】o 2 1光互连系统设计 光互连设计系统包括光发射器、光媒质、光接收器三个部分，如图2 1 所示【5 】。论文的光互连系统的设计遵循图2 1 传统的结构，光发射器、光接收 器的选择是采用课题组自主研发的新型器件。 i 光发射器i 光媒质 ii 黄按测器 z - | 放大嚣 ： ； 光接收器 图2 1 光互连系统框图 2 1 1光发射器 光发射器主要由激光二级管和激光驱动器构成，光发射器的主要作用是 将输入的电压信号转换为大的电流信号用于调制光源，激光器输出的光通过 光媒质传播，下面我们将详细介绍光发射器的组成。 1 v c s e l 激光器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 囝22v c s e l 模型 论文在激光器的选择中，所采用的是v c s e l ( 垂直腔面发射半导体激光 器) 。其模型如上图2 2 所示，这种激光器是现在应用较多的一种激光器，是 光器件领域中的一个突破性产品”】。相比较于传统的边缘发射激光器，其比 较适用于阵列形式的光网络，因此更容易实现集成和增加传输数据量。 v c s e l 在光纤通讯中有诸多如下领先的特性： ( 1 ) 高的发光效率 这个特性能够简化光接收机的设计难度。因为在相同的激励电流条件下， 该激光器能够转换更多的光功率输出，这使得接收端的光探测器能够检测到 更多的光，并转换成电流信号，因此对接收机的t i a 来说可以适当降低增益 去补偿带宽。 ( 2 ) 低的阚值电流和工作电流 v c s e l 的典型闽值电流值为1 肚l m a ，我们采用的产品为u l m 的 v c s e l 器件，其特征阈值电流为l m a 。v c s e l 的工作电流也是很低的，通 常在5 m a 1 5 m a 之间。因此这种特性可以直接被c m l 或者p e c l 等典型逻 辑电路进行调制。这可以简化驱动电路部分的设计，不需要添加任何特别的 电路结构去满足v c s e l 的电流要求。 ( 3 ) 温度特性 v c s e l 不需要任何反馈电路用于消除其随温度变化产生的影响，因此不 ；2 叽 一 蝌 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v c s e l 不需要任何反馈电路用于消除其随温度变化产生的影响，因此不 需要a t c 之类的电路( 其他激光器电路大多包含这种电路) 。 ( 4 ) 工作速率 v c s e l 通常的工作速率在2 g b p s 以上。因此完全满足我们的设计要求。 ( 5 ) v c s e l 不仅可以工作在单模光纤条件下，也能工作在多模条件下 v c s e l 的发散角度很小，因此很容易与光纤进行耦合，而且耦合效率很 高( 其与多模光纤的耦合效率可达到9 0 ) 。 鉴于上述v c s e l 的诸多优点，并且这种产品已经是成熟器件，为了达 到我们高密度集成的要求，我们需要设计阵列搭建互连环境。因此我们的项 目中采用v c s e l 与驱动电路模块进行键合。 2 激光驱动器 论文自主研发了激光驱动器s a 2 6 6 9 ，本设计主要是为国家8 6 3 项目服务， 设计单片4 路传输的v c s e l 激光驱动器。其特征指标参数值为2 m a 的偏置 电流和8 m a 的调制电流，两个电流均可调，以满足不同的激光器需求，实现 2 5 g b p s 速率的传输，采用1 8 v 电源电压供电，接e l 采用l v d s 和c m l 兼 容的形式，同时达到低功耗的目标。 激光驱动器可以看作是一个简单的电流开关，与被数据流调制的输入信 号相关。可以说，激光器的输出光功率是输入电流的函数而不是电压的。如 果激光器的温度发生变化，那么大的电流波动也会发生，即使是电压保持恒 定的情况下。类似的，在驱动电压上的一个很小的波动，都能导致电流和输 出功率的显著变化。由于这个原因，加之电流开关的速度特性，激光二极管 能够被电流驱动。 通常情况下，在大多数的光系统中，电光接口限制了系统的最大速度。 因此，激光驱动器和光接收器是非常重要的部件，它们能够决定光互连系统 的性能。因此，在高速情况下，能够使驱动器作为可靠的光信号产生器是很 关键的。激光驱动器设计的其中一个重要的挑战是在很短的上升和下降时间 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 内传输几十毫安的电流，因为带宽对于大的输出电流来说是需要平衡的内容。 激光驱动器的电路设计引入的反馈环路用于补偿由于输入数据流变化产 生的影响，还有温度及激光器寿命变化产生的影响。简单的激光驱动器电路 通常用于将驱动器的输出电流直接与激光二极管相连，如图2 3 所示，激光 器的阈值电流由v b 提供，调制电流由源极电阻提供。因为其中封装线上的 寄生电感l l 的存在，这种单端激光驱动器通常用在低速情况下，当这个寄 生电感与驱动电路的高阻抗和激光器的低阻抗相结合时，会降低激光器输出 的上升时间，从而引起供电线电流的波纹现象。 = v 7 bv s s 图2 3 简单的电路驱动 图2 4 是驱动器电路采用的集电极开路结构图。激光器直接与差分结构 的晶体管中的一个集电极相连，其中的偏置电流由电流源i m o d 提供。激光 器的总电流由三极管q 2 的集电极电流和i d c 组成。当有输出光功率时，所有 的电流都流过激光器，超过其阈值电流，从而达到l i 曲线的发射激光的区 域。当然，匹配电路需要建立在驱动器与激光器之间，用于克服这种结构中 出现过大的阻抗失配。 当数据率和传输距离都增大时，激光二极管的输出需要被精确的控制， 这是因为激光器的输出功率能够随温度和其寿命的变化而变化，高性能的系 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统通常包括些控制光输出的方式和为驱动器提供反馈信息的电路。 v d d 2 1 2 光接收器 光 信 号 图2 4 差分三极管结构 图2 5 光接收器结构 光接收器主要由光探测器、前置放大电路、数据恢复电路和解复用电路 构成，是光通信系统中的重要组成部分，其作用主要是将经光纤或者光波导 传输衰减和畸变后的微弱光脉冲信号通过光电转换、放大以及后续处理转换 为与发射端相对应的数字脉冲信号。常用的光接收器结构如图2 5 所示，由 图可以看出，光接收机前端放大电路主要包括前置放大器和主放大器。其中， 自动增益控制是前置放大器设计的一部分。 前置放大电路之前的光探测器( p d ，p h o t o d i o d e s ) 是光电转换器件，其 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作用是将接收到的光脉冲信号转换成电流脉冲信号。一般，对光探测器的基 本要求是高光电转换效率、低附加噪声和比较快的响应速度。 前置放大器是整个光接收机系统中最为关键的器件，它决定了整个接收 机系统的灵敏度和带宽。其作用是将光探测器输出的微弱电流脉冲信号转换 成一定幅度的电压脉冲信号( 一般为几十到几百m v ) 。一般而言，对前置放 大器最基本的要求为高增益、低噪声和高带宽。电路设计的难点也主要体现 在这三点上。具体说，高增益是为了保证整个光接收机系统的低噪声特性； 低噪声则是要保证电路的输入信号不被噪声淹没；高带宽是电路高数据传输 速率的要求。通常，在对前置放大器要求有很大的动态范围时，就可能出现 单个的电路不能同时满足设计需求，致使在某些幅度的输入信号上输出信号 达不到预定的要求，而某些幅度的输入信号则可能使电路中的管子偏离预先 设计的工作区。而自动增益控制电路正是为解决这一问题而来的。 主放大器的作用是将来自前置放大器的输出信号( 一般为几十m v ) 放 大并保持在一定的幅度内，以满足后续数据判决和时钟恢复电路输入电平的 需要。除了高速度和高增益的要求，此放大器另一个重要的性能指标是在较 大的输入动态范围内，保持输出电平幅度的恒定。 单独设计光接收机前置放大电路时还需要一个输出缓冲电路，该电路一 般包括在主放大器的设计中。输出缓冲是为了便于驱动片外的电路或者数据 判决恢复电路。因此，要求其有足够的驱动能力。 2 2高速光互连电路中的信号完整性问题 论文研究目标就是建立高速的光互连通信系统，已经自主研发了光发射 器和光接收器，用以实现2 5 g b p s 的光通讯。此时的时钟频率提高了，信号 上升边也已变短。对于大多数电子产品而言，当时钟频率超过1 0 0 m h z 或上 升边小于i n s 时，通常将这种情况称为高频领域或高速领域。此时，传统的 互连线已经不能再当作通畅透明的，已经变成了存在延迟和衰减的传输线， 再也不能如同处理低速设计那样，视互连为集总电容或简单的延迟线。如何 在设计过程中减轻和避免高速的p c b 板和互连系统潜在的问题是必要的。近 些年，随着高速电路的发展，信号完整性的概念逐渐引起了设计师们的注意， 1 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 要想设计出性能高的系统，信号完整性的研究已经是必不可少了。从广义上 讲，信号完整性指的是在高速产品中由互连线引起的所有问题。它主要研究 互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时，其电器特性参数对产品性能 的影响【7 】o 互连线本身的电气特性对数字信号波形所造成的影响有许多种，比如： 振铃、反射、串扰、开关噪声、地弹、容性负载等等1 8 l 。其中反射和串扰是 信号完整性问题最常见的表现，下面将对反射和串扰加以详细的介绍。 2 2 1反射问题 2 2 1 1 阻抗变化处的反射 z l 之 图2 6 信号的反射 反射使信号质量下降，信号沿互连线传输，无论在何处遇到阻抗突变都 会发生反射，而且传输信号也会失真，这是单一网络信号质量问题的主要根 源。只要信号遇到瞬态阻抗突变，反射就会发生，这可能是在线末端，或者 是互连线拓扑结构发生改变的任何地方，如拐角、过孔、接插件和封装处。 为了得到最优的信号质量，设计互连线的目的就是尽可能保持信号受到的阻 抗恒定。信号沿传输线传播时，其路径上的每一步都有相应的瞬态阻抗。如 果互连线的瞬态阻抗是可控的，那么瞬态阻抗就等于线的特性阻抗 9 1 。无论 什么原因使瞬态阻抗发生改变，部分信号将沿着与原传播方向相反的方向反 射，而另一部分将继续传播，但幅度有所改变。将瞬态阻抗发生的突然的改 变称为阻抗突变。反射的信号量由瞬态阻抗变化量决定，如图2 6 所示。如 果第一个区域的瞬态阻抗是z l ，第二个区域的瞬态阻抗是z 2 ，则反射信号与 1 1 哈尔滨下程大学硕士学位论文 入射信号的幅度之比如下式( 2 1 ) ： 鲁= 籀= p ( 2 - 1 ) z 2 + 互。 、7 式中：圪反射电压，v 入射电压，v z l 、z ，瞬态阻抗，q p 反射系数，无量纲 由式( 2 1 ) 可知，两个区域的阻抗差异越大，反射信号量就越大。例如， 如果l v 信号沿特性阻抗为5 0 t 2 的传输线传播，则其所受到的瞬态阻抗为 5 0 f ) ，当它进入特性阻抗为7 5 t 2 的区域时，反射系数为( 7 5 - 5 0 ) ( 7 5 + 5 0 ) = 0 2 ， 反射电压为2 0 x1 v = o 2 v 。 无论波形是什么形状，只要遇到分界面，波形的各个部分都有2 5 被反 射回去。时域中，波形可能会有一个快速上升的边沿、倾斜的边沿，甚至是 高斯边沿。同样，在频域中，所有波形都为正弦波，每个正弦波都将反射。 在考虑互连线上的信号时，判明其传播方向无疑是十分重要的，如果信 号沿传输线传播时遇到阻抗突变，在突变处将产生另一个波形，这第二个波 形将叠加在第一个波形上，但是它向源端传播，其幅度等于入射电压的幅度 乘以反射系数。 2 2 1 2 反射形成机理 反射系数反映了反射回源端的那部分电压，另外反射系数反映了通过交 界面进入第二区域的电压。只要瞬态阻抗发生改变，信号就会发生反射，这 一特征正是单一网络中所有信号质量问题的根源。 为了减轻由这一基本特征造成的信号完整性问题，在所有高速电路板中 必须运用以下四个重要设计因素f 1 0 1 ： 1 使用可控阻抗互连线； 2 传输线末端至少有一个终端匹配； 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 使用能使多分支产生影响最小的的布线拓扑结构： 4 最小化几何结构的不连续性。 2 2 2串扰问题 串扰是两条信号线之间的耦合，是由信号线之间的互感和互容引起的传 输线上的噪声。在数字电路中，串扰普遍存在于芯片内部、p c b 板、接插件、 芯片封装，以及通信电缆中。随着技术的发展，消费者对产品的要求越来越 倾向于小而快，在这种情况下，就必须更加注意数字电路系统中的串扰现象。 在多导线系统中，过多的传输线间的耦合或者说串扰，将有两个不利的影喻。 首先，串扰会改变总线中单根传输线的性能，比如传输线特征阻抗和传输速 度等，从而将会对系统时序和信号完整性问题产生一定的影响。再者，串扰 会将噪声耦合到其他的传输线上，这将进一步降低信号完整性，导致噪声裕 量变小。 串扰分为容性耦合和感性耦合两种耦合方式，以下我们将分别介绍两种 不同的耦合方式。 2 2 2 1 容性耦合串扰 厂 啼：a g g 佗s f “n e s 。u 1 c ee11d芝二=三j三!=：=i三j三三二=：三je三二=二三三亓bade n d n e a re n d 童兰曼三望三主翔re n d 二：；jl = l a r ： iv i c 6 ml i n e t ： ： - 图2 7 容性耦合示意图 容性耦合是由于干扰源( a g g r e s s o r ) 上的电压变化在被干扰对象( v i c t i m ) 上引起感应电流，从而导致的电磁干扰。任何两个导体间都会有存在一定的 分布寄生电容，当它们之间的距离足够近会变得足够大，可以将相当量级的 能量从一条导体上( a g g r e s s o r ) 耦合到另外一条导体( v i c t i m ) 上。由于寄生电容 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的影响，一部分电流会跨过两条导体之间的间隔，从a g g e s m r 方流入v i c f i m 方。假设f i c t i m 为均匀传输线，那么从耦合电流产生处看，从该点沿导线两 个方向的阻抗是相同的，因此耦合电流被均分沿v i c t i m 两个方向流动，如上 图2 7 所示，互耦电容分布于两条导体间的各个点上。 在下面的讨论中，假设单位长度导体上的耦合电容为c 。，取耦合双导体 的一段微元，其示意如图2 8 所示： i i ：x 图2 8 容性耦合分析：耦合双导体一段微元 由图2 8 所示，当电压波形在干扰线中流过时，由于耦合效应，它将向 被干扰线中注入位移电流，而该位移电流将平均地流向前后两个方向。由 r c h _ h o f f 电流定律我们有下式： 笔+ 笔= g 心噜 ， z qz q m d l 、 式中：e 干扰线输入电压 圪被干扰线前向电压 以被干扰线后向电压 c 。耦合电容 被干扰线上产生的电流脉冲宽度应等于干扰线上传播的电压波的跳变宽 度。干扰线的上跳电压波将使被干扰线上产生正的脉冲，干扰线的下跳电压 波将使被干扰线上产生负的脉冲。在被干扰线上产生的串扰信号又会通过耦 合效应在原来的干扰线上产生串扰，这次被干扰线与干扰线互相易位。在耦 合度很强的时候，二次串扰可能会较大，这时问题会变得非常复杂。但通常 这种二次串扰由于幅度很小，可忽略不记。干扰线上的电压波和被干扰线上 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的前向耦合电流分别沿着各自的导体向负载端( 干扰线) 和远端( 被干扰线) 传 播，方向相同。 在导体的每一个x 段，干扰线上的电压跳变都会引起耦合电流，设它们 的传播速度相同，这些耦合电流将与电压波同时到达远端。这样在被干扰线 上的远端，由于串扰产生的耦合电流脉冲长度与干扰波的跳变长度相同，幅 值是各缸段叠加的结果，如下式： = 互1 z 0x c mx d 警( 2 - 3 ) 式中：d 导体耦合部分的长度，m 由于干扰线上的电压波和被干扰线上的后向耦合电流将分别沿着各自的 导体向相反的方向传播，因而在缸段中，只在1 2 跳变的时间内，干扰线向 被干扰线中注入电流。在这段时间之后，该耦合电流脉冲将不再变化。由于 这些脉冲是连续产生的，所以在被干扰线的近端，最终得到的将是一个长度 为2 x t o f ( t o f ，t i m eo f f l i g h t ，为信号在传输导体上的飞行时间) ，幅值等于 每一段缸中产生的耦合电流的一个长脉冲。被干扰线上由于容性耦合产生的 耦合电流脉冲的示意如图2 9 所示： 一”t f 厂 一 一一、。c = = = = = = = = = = = = = ：= = = ：= 丁 1 2 t ( ，f 1 n e nf e n 几 | | i 卜l l 图2 9 容性耦合电流脉冲示意图 2 2 2 2 感性耦合串扰 由于电流产生的磁场效应，两条相邻的信号线间将会产生耦合互感，当 干扰线上传播的电流发生变化时，由于互感效应，被干扰线将会产生串扰感 应电压。设单位长度导体上的耦合电感为m ，则耦合电压的幅值为下式： 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y ：肌堕( 2 - 4 ) 讲 与容性串扰中干扰线向被干扰线中注入电流的情况不同。在感性串扰中， 干扰线不会向被干扰线中注入电流，互感只会引起电流从被干扰线的远端向 近端流动。因此，在被干扰线上，前向串扰与后向串扰有着相反的极性。图 2 1 0 是感性串扰的图示： ：a g g r e s s o rl i n e s o u r c ee n dl o a de n d ) )；) n e a re n d 爱爱至坚= 重匡蕃盟三至匦3f a re n d ： i v i c t i ml i n e 图2 1 0 感性耦合示意图 仍然取耦合双线上的一段微元，其示意如图2 1 1 所示： 弘晕丫 ： jm ! fl l 。 ： v 白- p 型譬啼v f ：x ； 图2 1 1 感性耦合分析 如图2 1 1 所示，当电流波在干扰线中流过时，由于耦合电感的影响，将 会在被干扰线上产生串行电压，k i r c h h o f f 电压定律有下式： 圪= 扣a x 鲁 协5 ， 儿：一一1 m x a x 堕( 2 6 ) 由上式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 知道，感应电压脉冲的长度与电流波的跳变时 间相同，沿着被干扰线以相反的方向传播。上跳波将引起正的后向感应电压 脉冲和负的前向感应电压脉冲，下跳波将引起负的后向感应电压脉冲和正的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 前向感应电压脉冲。与容性串扰的影响相同，由于被干扰线上前向耦合电压 与干扰线上的电流波传播方向相同，在远端的感性串扰将同时到达，叠加在 一起，见下式： = 一争考胁警 协7 ) 式中：z 干扰线上的阻抗 d 耦合部分的长度 被干扰线上后向耦合电压与干扰线上的电流波传播方向相反，在近端将 得到的串扰信号为一个持续时间为2 x t o f 的脉冲，幅值为圪。被干扰线上 远端与近端的由于感性耦合产生的耦合电压脉冲的示意图如图2 1 2 ： 一ir l f ，| 厂。 l - _ 2 t ( ) f 啼| n e nf e n v | l l 卜t f 图2 1 2 感性耦合电压脉冲示意图 在此必须指出的是，不论是感性耦合还是容性耦合，上面的讨论都有一 个假设，即信号的上升或者下降时间小于传输线延迟。如果信号的上升或者 下降时间小于传输线延迟，那么近端串扰最大幅值与上升时间无关。如果信 号的上升或下降时间大于传输线延迟，那么近端串扰的大小与上升时间有关。 而远端串扰在任何情况下都和信号上升或者下降时间有关。 2 3 光互连系统分析方法 2 3 1 硬件测试分析方法 信号完整性的测试方法主要可以分为三大类，表2 1 列出了大部分测试方 法，这些方法各有优点和局限性，在实际的测试中也不可能每个都使用。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 信号完整性的测试方法 主要分类细分类使用仪器 波形测试通用示波器 眼图测试通用示波器、采样不波 器、信号分析仪 抖动测试时间间隔分析仪、通用 时域测试 示波器、采样示波器、 信号分析仪 1 1 ) r 测试采样示波器、信号分析 仪 时序测试多通道示波器、逻辑分 析仪 频谱测试频谱仪 频域测试 传输损耗测试网络分析仪、阻抗测试 仪 其它测试误码测试误码分析仪 下面对这些方法进行一些说明： 1 波形测试 波形测试是信号完整性测试中最常用的手段，一般是使用示波器进行， 主要测试波形幅度、边沿、毛刺等。通过测试波形的参数，可以看出幅度、 边沿时间等是否满足器件接口电平的要求，有没有存在信号毛刺等。示波器 是极为通用的仪器，几乎所有的硬件工程师都会使用，但并不表示大家都使 用得好。波形测试也要遵循如下的要求，才能够得到准确的信号。 首先是要求示波器和探头组成的系统带宽要足够。一般测试系统的带宽 是测试信号带宽的3 倍以上就可以了。其次要注重细节，比如测试点通常选 择放在接收器件的管脚，如果条件限制放不到上面去的，比如b g a 封装的 器件，可以放到最靠近管脚的p c b 走线上或者过孔上面。距离接收器件管脚 过远，因为信号反射可能会导致测试结果和实际信号差异比较大，探头的地 线尽量选择短地线等。最后，需要注意一下匹配。这个主要是针对使用同轴 电缆去测试的情况，同轴直接接到示波器上去，负载通常是5 0 欧姆，并且是 直流耦合。但是对于某些电路，需要直流偏置，直接将测试系统接入时会影 l l l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 响电路工作状态，从而测试不到正常的波形。 2 眼图测试 眼图测试是常用的测试手段，特别是对于有规范要求的接口，比如 e l f r l 、u s b 、1 0 1 0 0 b a s e t ，还有光接口等。这些标准接口信号的眼图测 试，主要是用带m a s k ( 模板) 的示波器，包括通用示波器、采样示波器或者 信号分析仪，这些示波器内置的时钟提取功能，可以显示眼图。对于没有 m a s k 的示波器，可以使用外接时钟进行触发。使用眼图测试功能，需要注 意测试波形的数量。特别是对于判断接口眼图是否符合规范时，数量过少， 波形的抖动比较小，也许有违规的情况，比如波形进入m a s k 的某部分，就 可能采集不到信号，出现误判为通过。测试波型数量太多，会导致整个测试 时间过长、效率不高。通常情况下，测试波形数量不少于2 0 0 0 ，在3 0 0 0 左 右为适宜f ”1 。 目前有一些仪器，利用分析软件，可以对眼图中的违规详细情况进行查 看，比如在m a s k 中落入了一些采样点，在以前是不会知道哪些情况下落入 的，因为所有的采样点是累加进去的，总的效果看起来就像是长余晖显示。 而新的仪器，利用了其长存储的优势，将波形采集进来后进行处理显示，波 形的每一个细节都可以保留，因此它可以查看波形的违规情况。 3 抖动测试 关于抖动测试的实验，本文将在第五章中详述。抖动测试现在越来越受 到重视，特别是对系统对时钟要求严格的系统，对时钟的抖动测试就显得非 常重要。因为专用的抖动测试仪器，比如t i a ( 时间间隔分析仪) 、s i a 3 0 0 0 ， 价格非常昂贵，故而使用的比较少。使用的最多是示波器加上软件处理，如 t e k 的t d s j t t 3 软件。通过软件处理，分离出各个分量，比如r j 和d j ， 以及d j 中的各个分量。对于这种测试，选择的示波器，长存储和高速采样 是必要条件，比如2 m 以上的存储器，2 0 g s a s 的采样速率。不过目前抖动测 试，各个公司的解决方案得到结果还有相当差异，还没有哪个是权威或者行 1 9 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 业标准。 4 t d r 测试 t d r 测试目前主要使用于p c b 的信号线、器件阻抗的测试。比如：单 端信号线、差分信号线、连接器等。这种测试有一个要求，就是和实际应用 的条件相结合，如果实际该信号线的信号上升沿在3 0 0 p s 左右，那么t d r 的 输出脉冲信号的上升沿也要相应设置在3 0 0 p s 附近，而不使用3 0 p s 左右的上 升沿，否则测试结果可能和实际应用有比较大的差别。影响t d r 测试精度有 很多的原因，主要有反射、校准、读数选择等。反射会导致较短的p c b 信号 线测试值出现严重偏差，特别是在使用t i t ( 探针) 去测试的情况下更为明显， 因为t i p 和信号线接触点会导致很大的阻抗不连续，导致反射发生，并导致 附近三、四英寸左右范围的p c b 信号线的阻抗曲线起伏。 5 时序测试 现在器件的工作速率越来越快，时序容限越来越小，时序问题导致产品 不稳定是常见的，因此时序测试是非常必要的。测试时序通常需要多通道的 示波器和多个探头，示波器的逻辑触发或者码型和状态触发功能，对于快速 捕获到需要的波形，很有帮助。逻辑分析仪用作时序测试并不多，因为它主 要作用是分析码型，也就是分析信号线上跑的是什么码，和代码联系在一起， 可以分析是哪些指令或者数据。在对于要求不高的情况下，可以用它来测试。 它相对示波器来说，优势就是通道数多，但是它的劣势是探头连接困难，除 非设计的时候就己经考虑了连接问题，否则飞线就是唯一的选择，如果信号 线在p c b 的内层，几乎很难做到。 6 频谱测试 对于产品的开发前期，这种测试应用相对比较少，但是对于后期的系统 测试，比如e m c 测试，很多产品都需要频谱测试。通过该测试发现某些频 点超标，然后可以使用近场扫描仪( 其中关键的仪器是频谱仪) ，例如e m c s c a n e r ，来分析板卡上面具体哪一部分的频谱比较高，从而找出超标的根 哈尔滨工程大学硕士学位论文 源所在。不过这些设备相对都比较昂贵，中小公司拥有的不多，因此通常情 况下都是在设计时仔细做好匹配和屏蔽，避免后面测试时发现信号频谱超标， 因为后期发现了问题，很多情况下是很难定位的。 7 频域阻抗测试 现在很多标准接口，为了避免有太多的能量反射，都要求比较好地匹配， 比如e l t 1 等。另外射频或者微波在相互对接时，对阻抗通常都有要求。这 些情况下，都需要进行频域的阻抗测试。阻抗测试通常使用网络分析仪，单 端端口相对简单，对于差分输入的端口，可以使用不平衡变压器进行差分和 单端转换。 8 误码测试 误码测试实际上是系统测试，利用误码仪，甚至是一些软件都可做。比 如可以通过两台电脑，使用软件，测试连接两台电脑间的网络误码情况。误 码测试可以对数据的每一位都进行测试，这是它的优点。相比之下示波器只 是部分时间进行采样，很多时间都在等待，因此漏过了很多细节。 实际中如何选用这上述测试手段，需要根据被测试对象进行具体分析， 不同的情况需要不同的测试手段。比如有标准接口的，就可以使用眼图测试、 阻抗测试和误码测试等。对于普通硬件电路，可以使用波形测试、时序测试， 设计中有高速信号线，还可以使用t d r 测试。对于时钟、高速串行信号，还 可以抖动测试等。另外上面众多的仪器，很多都可以实现多种测试，比如示 波器，可以实现波形测试，时序测试，眼图测试和抖动测试等。网络分析仪 可以实现频域阻抗测试、传输损耗测试等。因此灵活应用仪器也是提高测试 效率，发现设计中存在问题的关键。本文将在后面章节中介绍高速光互连和 电互连的硬件链路和信号完整性的测试，在此不再阐述。 2 3 2 软件仿真分析方法 随着e d a 工具的不断发展和成熟，计算机仿真无疑已经成为最为有效的 设计手段。如果在p c b 的设计阶段，就对p c b 中的信号完整性问题进行分 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 析并加以控制，是电子产品设计成功的重要因素。使用计算机仿真就需要建 立用于电路及信号分析的、包含各种相关参数的准确的模型，即电路信号分 析模型。现在电子设计业中己经有许多种可以用于p c b 板级仿真的电路信号 分析模型，其中最为主要的有三种：s p i c e ，i b i s 和v e r i l o g a m s 。下文中将 分别对这三种模型做简单介绍。 1 s p i c e 模型 s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a mf o ri n t e g r a t e dc i r c u i t se m p h a s i s ，针对集成电 路的仿真程序) 是由美国加州大学伯克利分校的电子研究实验室( e l e c t r o n i c s r e s e a r c hl a b o r a t o r yo ft h eu n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a , b e r k e l e y ) 于1 9 7 5 年开始开 发出来的一种功能非常强大的、通用模拟电路的仿真器。正如同s p i c e 的名 字所表示的，它最初主要被用来验证集成电路中的电路设计、以及预测电路 的性能，这种仿真计算对于集成电路的设计是极其重要的。s