（信号与信息处理专业论文）信号完整性与电源完整性的研究与仿真.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 激烈的市场竞争要求一个产品从设计到投放市场的时间越短越好，很多产品的研发时间 有8 0 是花费在为解决高速印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 设计中存在的信号完整性 ( s i g n a li n t e g r i t y ，s i ) f f i 题上，这也是信号完整性问题越来越受到关注的主要原因。在p c b 设 计时，通过使用准确的信号完整性模型和正确的仿真分析方法，能让错误在实际投产之前体 现出来，以便工程师及时纠正，提高一次成功的几率，从而可以缩短产品开发周期，降低开 发成本。 s i 问题作为高速系统设计的重要内容已经成为当今电子设计者无法回避的问题。只有运 用正确的设计规则、先进的技术和精确的仿真分析工具，才能在设计阶段找出问题，从而高 效率、高质量地完成系统设计。因此，研究信号完整性的理论及借助e d a 仿真工具的高速 p c b 设计方法具有十分重要的理论及实践意义。 本文尝试以现有理论基础作为指导，分析讨论和正确理解相关理论及概念，进行实际p c b 设计。利用a n s o f l 仿真工具进行理论建模，完成一块复杂的高速p c b 板的仿真，紧扣目前主 流的p c b 设计流程。结合理论分析、仿真工具和实际p c b 设计，提供一套比较完整且比较 精确的实际仿真过程，帮助绘制能够满足性能要求的p c b 。 本文主要阐述的内容有以下几个方面： 1 ) 正确理解相关基础知识和经验准则，通过前仿真的分析和理解，得到设计所需的约束规 则。 2 ) 分析研究高速信号的完整性，以a l t r e as t r a t i xi v g xf p g a 与m i c r o nd d r 2 8 0 0 之间高 速总线为例，提供一个比较完整和比较精确的仿真方法和仿真过程。 3 ) 综合电源完整性分析与信号完整性分析，讨论和仿真同步开关噪声( s i m u l t a n e o u s l y s w i t c h i n gn o i s e ，s s n ) ，并将之综合到实例p c b 中，使仿真结果更加贴近实际，更为可靠与 可信。 关键词：信号完整性，d d r 2 ，同步开关噪声( s s n ) ，a n s o f l 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t of a c ei n t e n s ec o m p e t i t i o ni nt h em a r k e t ，an e w p r o d u c ti sr e q u i r e df r o md e s i g nt om a r k e t t i m ea ss h o r ta sp o s s i b l e m a n yp r o d u c t sh a v e8 0 o fd e v e l o p m e n tt i m ei ss p e n to nh i g h - s p e e d p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) d e s i g nt os o l v es i g n a li n t e g r i t y ( s i ) i s s u e s ，t h a ti sw h yt h es i g n a l i n t e g r i t yp r o b l e ma t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nr e c e n t l y i np c bd e s i g n ，u s i n go fa c c u r a t es i g n a l i n t e g r i t ym o d e la n dc o r r e c tt h es i m u l a t i o na n a l y s i sm e t h o d ，l e te r r o r sr e f l e c t e di nt h ep r e - p r o d u c t i o n ， t h e ne n g i n e e r sc a nb ep r o m p t l yc o r r e c t e d t h u sc a ns h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e , r e d u c e d e v e l o p m e n tc o s t s n o w a d a y s ，s ih a sb e c o m ei n e v i t a b l ep r o b l e m st oe l e c t r o n i cd e s i g n e r o n l yu s et h er i g h td e s i g n r u l e s ，a d v a n c e dt e c h n o l o g ya n da c c u r a t es i m u l a t i o na n a l y s i st o o l s ，c o m p l e t es y s t e md e s i g nm o r e e f f i c i e n t l y t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h e o r i e so fs i g n a li n t e g r i t ya n dd e s i g n i n gh i g h s p e e dp c bw i t h e d as i m u l a t i o nt o o l s ，w i l lb ev e r yi m p o r t a n ta n dp r a c t i c a l t h i sp a p e rt r yt ou s ee x i s t i n gt h e o r i e sa sag u i d e ，d i s c u s s i o na n da n a l y s i so ft h ec o r r e c t u n d e r s t a n d i n go ft h ec o n c e p t sa n dt h e o r i e s ，a n df i n i s hap c bd e s i g n u s i n gt h ea n s o rs i m u l a t i o n t o o l sf o rt h e o r e t i c a lm o d e l i n g ，t oc o m p l e t eac o m p l e xh i g h - s p e e ds i m u l a t i o no fp c bb o a r dw i t l l m a i n s t r e a mp c b d e s i g nf l o w b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，u s i n gt h es i m u l a t i o nt o o l sa n dd e s i g n i n gp c b i np r a c t i c e ，t h i sp a p e rw i l lp r o v i d eam o r ec o m p l e t ea n dp r e c i s ea c t u a ls i m u l a t i o nf l o w h e l pu st o d r a wt h ep c b ，w h a tc a nm e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec o n t e n to ft h ef o l l o w i n ga r e a s - 1 ) b ys i m u l a t i o n ，h e l pu su n d e r s t a n d i n gr e l e v a n tk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c ec o r r e c t l ya n dg e t c o n s t r a i n tr u l e s 2 ) t h es i g n a li n t e g r i t yo f t h eh i 曲s p e e dc i r c u i ti sa n a l y s e d t o o ka l t r e as t r a t i xi v g xf p g a a n dm i c r o nd d r 2 - 8 0 0h i g hs p e e db u sa sa ne x a m p l e a n dp r o v i d e dac o m p l e t ea n da c c u r a t e s i m u l a t i o nm e t h o d 3 ) p o w e ri n t e g r i t ya n ds i g n a li n t e g r i t ya l ec o m b i n e d d i s c u s s e da n ds i m u l a t e ds i m u l t a n e o u s l y s w i t c h i n gn o i s e ( s s n ) ，a n dw o u l di n t e g r a t ew i t ht h ep r a c t i c a lp c bd e s i g n ，l e tt h es i m u l a t i o nr e s u l t s m o r er e l i a b l ea n dc r e d i b l e k e y w o r d s ：s i g n a li n t e g r i t y ，d d r 2 ，s i m u l t a n e o u s l ys w i t c h i n gn o i s e ( s s n ) ，a n s o f l i l 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三；百下匕 1 1 研究背景及发展现状 电子产品日新月异，发展速度极快，目前的i p h o n e 手机其处理速度比上世纪9 0 年代的 p c 还要快，功能更强大。目前p c 的c p u 速度也早已经是1 0 年前的数倍。就在不久之前， x i l i n x 与a l t e r a 两大f p g a 芯片巨头都推出了2 5 n m 的芯片，将f p g a 推进到2 0 g 领域。面 对芯片时钟频率如此快速的发展，电路的设计工作面临着前所未有的挑战，原先的设计方式 与设计理念都不再适用于现在的芯片。对于印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 互连工程 师而言，设计一块性能可靠，功能强大，时钟速率高的p c b 成为一个艰巨的任务。 “有两种工程师，一种是已经遇到了信号完整性问题，另一种是即将遇到信号完整性问 题。”广义上的信号完整性包含了由互连线引起的，影响信号正确接收的所有问题。主要研 究互连线上电压与电流信号相互作用时，其电器特性参数如何影响产品性能。如果信号从驱 动端沿互连线有正确的时序和幅度，则该电路具有较好的信号完整性；反之，当信号由于失 真而不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。串扰、反射、同步开关噪声( s i m u l t a n e o u s l y s w i t c h i n gn o i s e ，s s n ) 和电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) 等信号完整性问题随着 信号速率的提高而越加明显，越难控制。 在微电子技术和电路与系统技术迈向新的发展阶段的今天，高速电路信号完整性分析有 其特殊重要性，在某种程度上已成为新一代高速、超高速系统分析设计体系中的瓶颈，也是 急需解决的难题。能否解决高速电路的信号完整性问题是能否设计好高速电路系统的关键， 也是保证高速系统正常运行的关键。目前高速电路信号完整性分析在国内外已受到广泛的重 视，并已成为一个研究热点。 目前，国外对于高速数字电路的信号完整性问题的研究已经取得了一些成果，如文献 1 5 】 都对信号完整性问题进行了比较深入的研究。通过对互连系统建模，运用电路、电磁场以及 信号处理等知识，得到了很多基础性的结论，并且总结了很多实践经验数据，得到了一些经 验准则。i n t e l 、i b m 、s u n 等国际领先的半导体企业，在十几年前就设立了专门的s i 部门， 分配大量的人力物力专门研究高速系统的s i 、p i ( p o w e ri n t e g r i t y ) 和e m i 问题。在这些方面的 投入使得他们一直处于半导体产业的领先地位，牢牢垄断了整个高端电子产品行业。国内对 s i 信号完整性的研究已经起步，一些研究单位和机构也取得了一些成绩 6 13 】，一些大型通 信电子企业也设立了s i 部门，专门从事高速信号的仿真、分析与设计。在台湾地区，由于对 s i 研究起步较早，当地通信电子产品企业也借助这种优势，在通信电子产品的生产研发方面 达到了世界领先水平。但比较遗憾的是，这个领域仍然是个较新的领域，还没有完整、完 善和确切的结论及方法。 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 研究的目的与意义 在目前国内外的研究成果中，大部分是单纯的理论分析，没有阐述如何将理论成果应用 于实际设计。将理论分析与自身设计紧密结合，并通过仿真验证的甚少，本文尝试以现有理 论基础作为指导，分析讨论和正确理解相关理论及概念，进行实际p c b 设计。介绍本文所使 用的仿真工具，并利用仿真工具进行理论建模，完成一块复杂的高速p c b 板的仿真，紧扣目 前主流的p c b 设计流程。结合理论分析、仿真工具和实际p c b 设计，提供一套比较完整且 比较精确的实际仿真过程，帮助绘制能够满足性能要求的p c b 。 d d r 2 与f p g a 之间高速并行总线在实际应用中非常具有代表性，本文以此为例，选取 一组数据总线，进行全面分析，从基本的串扰反射到时序分析，再到s s n 仿真，整个过程具 有类比性与典型性。本文希望所使用的模型与仿真方法能够为其他人提供适度的可参考性。 信号完整性与电源完整性研究是与实际应用息息相关的科学，涉及面十分广阔。各种电 子设备制造厂商都已经开始意识到它的重要性，经验积累固然重要，但对于原因的探索更加 重要。科学研究是不断的追求原因的过程，理论分析可以帮助人们解释现象，预测结果。仿 真可以让错误提前被发现，为人们提供及时纠正错误的时间，降低生产成本。在现今这个时 间就是金钱的时代，产品销售的成败经常是由时间决定，领先一小步就会成就一大步。 1 2 本文的主要内容与论文结构 本文的主要工作是研究在p c b 布局布线中的常见问题，理解问题的原因，并通过仿真对 实际p c b 板的布局布线提供依据。分析实际板图的信号完整性与电源完整性，在a n s o f t 软件 中建模仿真并寻找解决问题方法，根据理论分析对p c b 板进行优化，使之满足电气特性要 求。通过完整的p c b 绘制过程，完成一块性能可靠的p c b 板。本文的主要内容是： 1 ) 正确理解相关基础知识和经验准则，通过前仿真的分析和理解，得到设计所需的约束 规则。 2 ) 分析研究高速信号的完整性，以a l t r e as t r a t i xi v - g xf p g a 与m i c r o nd d r 2 8 0 0 之间 高速总线为例，提供一个比较完整和比较精确的仿真方法和仿真过程。 3 ) 综合电源完整性分析与信号完整性分析，讨论和仿真同步开关噪声( s s n ) ，并将之综合 到实例p c b 中，使仿真结果更加贴近实际，更为可靠与可信。 本文具体结构总共分为六章，本章为绪论主要介绍论文背景和研究现状，研究的目的与 意义，并且简述论文主要内容和具体框架结构。 第二章，仿真的作用与仿真方法。阐述仿真工作在p c b 设计中的作用与重要性，介绍专 业的p c b 板仿真工具，a n s o f t 公司出品s iw a v e 和d e s i g n e r 。a n s o f t 公司还为设计工程师提 供了一套完整的仿真流程，严谨精确。 第三章，信号完整性分析。对信号完整性中的一些基础概念进行阐述分析与理解，对高 速电路、信号回流路径进行思考与理解。并且讨论时序的概念，介绍时序设计中一些重要的 参数。为第四章提供理论依据，并作为p c b 布局布线的前提参考条件。 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 第四章，信号完整性仿真。仿真串扰与反射，创建约束规则，讨论经验在仿真中的作用， 正确理解和使用经验准则。进行d d r 2 与f p g a 之间的时序设计，进行预算并得到约束。另 外还对布线后的p c b 进行建模仿真，提供了一个比较精确与比较完整的，具有典型性的设计 过程。最后还简要的介绍信号完整性与电源完整性的关系。 第五章，电源完整性分析与仿真。着重对电源完整性进行分析讨论和建模仿真，对第四 章中的d d r 2 与f p g a 仿真模型在电源部分进行补充，提供了包含实际电源特性的信号完整 性仿真。对电源平面进行优化，满足p c b 板的直流电气特性。 第六章，结论与展望。总结全文展望未来。 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章仿真的作用与仿真方法 2 1 仿真的作用与意义 激烈的市场竞争要求一个产品从设计到投放市场的时间越短越好，很多产品的研发时间 有8 0 是开销在为解决高速p c b 设计中存在的信号完整性问题上，这也是信号完整性问题越 来越受到关注的主要原因。而基于信号完整性分析的高速p c b 设计，可以在设计之初就建立 高速数字信号传输的信号完整性模型，然后根据模型对信号完整性问题进行一系列预分析。 根据仿真计算的结果，选择合适的元器件类型、参数和电路拓扑结构，作为电路设计和p c b 板图设计的依据。在p c b 板图设计过程中，对完成的设计进行信号完整性仿真，以确认实际 设计的板图是否符合预期的信号完整性要求。如果仿真结果不满足要求，则需要修改板图设 计甚至电路设计，直到满足要求才投入实际样板制作。在p c b 设计时，通过使用准确的信号 完整性模型和正确的仿真分析方法，就不需要或只需要很少的重复修改设计及制作就能够最 终定稿，从而可以缩短产品开发周期，降低开发成本。 s i 问题作为高速系统设计的重要内容已经成为当今电子设计者无法回避的问题。只有运 用正确的设计规则、先进的技术和精确的仿真分析工具，才能在设计阶段找出问题，从而高 效率、高质量地完成系统设计。因此，研究信号完整性的理论及借助e d a 仿真工具的高速 p c b 设计方法具有十分重要的理论及实践意义。 2 2 仿真工具与仿真方法 首先来看目前主流的p c b 设计流程，如下图所示： r 二二j 互 l 二二互巫匝 i 二二至巫巫 i 二二】巫互 l 二二玉叵巫 图2 1p c b 设计流程 产品设计从方案的提出，到交付生产之前，p c b 大部分时间都停留在仿真、布线和验证 之间，不断的重复循环，直到验证通过。仿真在这个设计流程中成为绝对的主角，大量的精 力消耗在这个阶段，仿真可以让错误在产品生产之前就表现出来，帮助设计师提前发现错误， 及时纠正。目前的仿真工具非常繁多，如何选择也成为设计师需要考虑的问题。 4 杭州电子科技大学硕+ 学位论文 随着p c b 功能和结构的日益复杂，使得相应的电路分析理论从一维、二维发展到三维结 构，如短线、芯片引出线、管脚、线间交叉、层间通孔、芯片中多层垂直交叠互连线等，这 些都属于参数提取结合电路分析的方法。但对于高速的复杂系统而言，有时使用电路方法解 决问题就存在一定的难度，如今高性能、大容量的计算机系统使得我们可以用电磁场直接模 拟的方法。 2 2 1 仿真工具 为了避免在完成整个设计时产生的高成本，设计者必须在早期设计时就了解全波效应。 仅分析s i 是不够的，供电已成为日益重要的问题，而高速开关所产生的谐振、电源地反弹、 同步开关噪声、反射及线间耦合与板间耦合等问题更使设计人员头痛不已。了解并消除这些 高频信号完整性问题需要全波整板分析工具。 s iw a v e 是一个精确的整板级电磁场全波分析工具，采用了三维电磁场全波方法分析整板 或整个封装的全波效应。对于真实复杂的p c b 板或i c 封装，包括多层、任意形状的电源和 信号线，s iw a v e 可仿真整个电源和地结构的谐振频率；板上放置去耦电容的作用；改变信 号层或分开供电板引入的阻抗不连续性；信号线与供电板问的噪声耦合、传输延迟、过冲和 下冲、反射和振铃等时域效应；本振模和s 、z 、y 参数等频域现象。其结果可以先进的二维 或三维方式图形显示，并可输出s p i c e 等效电路模型用于s p i c e 仿真。最新版本的s iw a v e 拓 宽了仿真范围，完整的系统配置建模更为逼真，从根本上节省了时间和成本。由于包含了增 强型通孔建模和封装板协同仿真，人们能够更精确地特征化组装有i c 封装的整个p c b 。 对于电路链路分析，a n s o f l 公司提供了n e x x i m 电路仿真器的动态链接功能。该功能提供 了直接频域和时域分析，精确度为i b i s 或晶体管级，集成在a n s o f td e s i g n e r 产品中。a n s o f t d e s i g n e r 是a n s o f t 公司推出的微波电路和通信系统仿真软件。采用了最新的视窗技术，将高 频电路系统，板图和电磁场仿真工具无缝地集成到同一个环境的设计工具，使用“按需求解” 技术，使人们能够根据需要选择求解器，从而实现对设计过程的完全控制。实现了自动化版 图功能，板图与原理图自动同步，大大提高了板图设计效率。同时，还能方便地与其他设计 软件集成到一起，并可以和测试仪器连接，完成各种设计任务，如频率合成器，锁相环，通 信系统，雷达系统以及放大器，混频器，滤波器，移相器，功率分配器，合成器和微带天线 等。 在选择仿真工具时，人们最关心的问题是这款仿真工具在实际应用中能帮自己做些什么， 仿真的精度以及仿真与实测的接近程度。本文的仿真是基于s 参数模型进行的，其次就是能 够根据s 参数以及i b i s 模型进行仿真模型的搭建，能够观察信号的眼图，时域图和频谱特性 图。本文最关心的是软件提取出来的s 参数精确度问题，对于p c b 电路参数化的过程中有很 多方法，是数学建模然后求解的过程。p c b 电路的参数化过程实质上是解麦克斯韦电磁场方 程组的过程，参数化的精确度取决与软件所使用的具体方法，s iw a v e 使用的是全波有限元 5 杭州电子科技人学硕士学位论文 的仿真方法，在目前的众多软件中比较先进，精度较高，但仿真速度较慢，适合高端设计的 仿真和精度要求非常高的信号走线部分的仿真。 对于高速电路的实际测试难度非常大，需要精度非常高的仪器和精密的测试平台，只有 一些专门设计高速p c b 的实验室才会拥有高速电路的测试平台，仪器价格也非常昂贵。也正 是因为这样，人们希望仿真软件的仿真结果能够与实际测量非常接近，可以节约大量的成本， 同时仿真结果与实测越接近，其可信度和可靠度就越高。本人在x i l i n x 公司的一些高速电路 测试结果中看到，其使用的也是a n s o f l 软件，下图为x i l i n x 公司的仿真与实测结果。 ( a ) d d r 3 的实测与仿真结果( 左) ，z 参数的实测与仿真结果( 右) m e a s u r e ds 1 w a v e + n e x x i m 性 ，拍 铭 j 心 “ l i 1 l i n e l n s l 。i。x。2。-。x。l。-。3。6ei y 2 吖l t 由j j _ _ _ - _ _ _ - - _ - _ _ - _ 一 ( b ) 电源平面s s n 的实测与仿真结果( 仪器测量数据已经去直流化) 图2 2 仿真与测试对比 根据上图所示的结果来看，实测与仿真非常接近，软件的仿真结果比较可靠与可信，利 用仿真工具可以有效的降低成本。 6 j | | 0 0 0 0 0 0 0 | | | | 0 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 2 2 仿真方法流程 利用信号完整性仿真工具，人们不仅可在设计早期优化产品的性能，而且在昂贵的实物 模型制造之前进行检验和校准设计，真正确保设计一次成功。从而节省研发时间和降低研制 成本，将资源用到激发创新，最终加速新品上市的步伐。本文使用a n s o f t 软件进行仿真，采 用的仿真流程如下图所示。 e c a dl a y o u tt o o l s a n f 文件 c i r c u i t s y s t e ms i m u l a t o r 上一 国 图2 3 仿真流程图 上图2 3 所示的仿真流程主要使用s iw a v e 和d e s i g n e r 两款软件，仿真流程非常简单。仿 真的主要工作是建立合理正确且符合实际的仿真模型，这也是仿真的关键，仿真工具只是工 具，工作的核心离不开人的思维与创造。用工具提取的模型是固化的，精确度也是固定的， 没有任何一款软件可以做到完全自动化仿真，仿真最终是由设计者对电路的理解决定的。 2 - 3 本章小结 在p c b 设计过程中，仿真的作用十分明显，它能够提高p c b 板绘制的成功率，有效的降 低成本。正确的设计规则、先进的技术和精确的仿真分析工具是必不可少的。本章还介绍了 a n s o f t 公司出品的s iw a v e 和d e s i g n e r 两款精度高，功能强大的p c b 板级仿真工具。本章还 提供了一套简单方便仿真流程，具有很强的泛用性和典型性。 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 第三章信号完整性分析 虽然信号完整性分析更注重实际应用，但如果不能正确的理解相关的理论概念及其缘由， 那么在实践中绘制的p c b 也将是无本之木，无源之水。实践研究需要扎实的理论基础，信号 完整性是一门涉及面广泛的课题，需要学习积累大量相关理论知识，才能逐步理解乃至精通。 有很多人认为，从事p c b 绘制工作，对实践经验要求极高，经验丰富与否，决定了p c b 的 好坏。不可否认，经验在绘制p c b 中十分重要，但更重要的是对经验的正确理解，我们不仅 要传承老师前辈的经验，更要学习相关的理论知识，明白经验的由来，知其然，又知其所以 然。在本章中将介绍并理解在信号完整性分析中经常出现的几个概念，同时做为后续章节的 基础。 3 1 高速与高频 在进行信号完整性研究之前，先来介绍电路中高速与高频这两个基本概念，通过认识这 两个概念有助于明确信号完整性分析的对象。对于高频这个概念理解起来比较简单，它只是 对频率的一种描述。频率是周期的倒数，高频是高频率、短周期的表述。 下面来讨论高速这个概念，从速度的概念出发，速度是表征运动快慢的量，在物理学里 是位移对时间的微分，同样在电路中指的是电位移对时间的微分，表征为电压变化的快慢， 也就是d v d t ，用通常的表述叫上升时间，高速电路是电压变化快，上升时间短的表述。在 电路系统中，上升时间的大小对于信号完整性的影响非常大，也是引起信号完整性问题的根 本。以至于信号完整性分析基本上都是围绕d v d t 来分析和讨论，而不是对于周期来讨论。 从上面对两个概念的描述，可以了解到，高频与高速没有直接的关系。例如，当一个时 钟信号频率为5 0 m h z ，上升时间为l o o p s ，那么它不是一个高频信号，但他是一个高速信 号。又如，频率为5 0 0 m h z ，上升时间为o 8 n s ，那么它与上例中的信号相比较，频率要高很 多，但速度却远比上例的信号低。高速与高频果真没有关系么? 其实不然，人们会将这两个 概念混淆正是因为它们之间有着一定的联系。随着频率升高，周期减小，所带来的结果是， 我们必须把速度做高。原因是我们必须保证足够的建立时间与保持时间。随着周期的压缩， 要想有足够的建立时间与保持时间，就只能使上升时间与下降时间缩小，来满足信号的时序 有效性要求。例如，一个信号的频率为1 0 0 m h z ，即周期1 0 n s ，上升时间和下降时间分别为 l n s ，这样信号的有效采样时间窗口为：( 1 0 卜1 ) 1 1 8 ，即8 n s 。如果此信号的频率提高到2 0 0 m h z 时，保持上升时间与下降时间不变的话，采样窗口就变成了( 扣1 1 ) = 3 n s ，而且随着频率的继 续升高，采样窗口会继续降低，导致无法正确采样，于是就迫使上升与下降时间减小，来满 足越来越高的采样时钟频率。频率的升高必然迫使速度的提高，高频电路必然带来了高速电 路。 杭州电子科技大学硕十学位论文 这两个概念需要清楚的理解区分，高频与高速之间是充分条件，不是必要条件。在信号 完整性分析过程中，着重强调的是高速电路，如果单纯的认为频率不高就意味着速度不高， 会导致不可预期的问题。 前面提到过影响信号完整性的是d 融，不是频率，d v d t 是一种时域的描述，时域与频域 是可以通过傅立叶变换进行相互之间的转换。在这里要引入一个把上升时间与频率联系在一 起的概念转折频掣引，转折频率的计算表达式为： f k n e e = o 5 乃( 3 1 ) 其中凡揪表示转折频率，纷表示上升时间。这个值表示的是包含了信号能量9 5 的频谱 截止点。需要指出的是，转折频率是针对于信号而言的，不是针对传输系统。 根据转折频率的定义，可以定性的推导出两个重要特性【3 j ： 1 任何在其卯频率以内具有一个平坦频率响应的电路，可以允许一个数字信号几乎无 失真的通过。 2 数字电路在船频率以上的频率特性对于它如何处理数字信号几乎没有影响。 虽然我们定义了凡榭，但它只是一个不精确的频谱估计，不能代替傅立叶分析方法，是 工程估计中一个迅速有效的时频分析工具。上面这两个特性，可以理解为：1 ) 在传输过程 中，原始信号经过一个传输系统，如果这个系统对于低于原始信号转折频率的频率响应是平 坦的，那么信号的传输过程可近似的认为是无失真的；2 ) 当信号在电路中传播时，有用信号 的。以外频谱分量的特性可以不考虑。 有这样一种说法，根据傅立叶变换，方波可以分解为无穷次的j 下弦波的谐波叠加形式， 方波的边沿即上升沿或下降沿越陡峭，其包含的谐波次数就越多，转折频率表示谐波能量累 加占总能量9 5 的谐波次数值。这样的说法并不确切，完全理想的方波是无法得到，信号在 产生之后就已经是非理想的，其傅立叶变换之后除了谐波还会由其他非谐波的量存在。所以 在分析转折频率时最精确的做法是先得到信号的功率谱，然后通过计算信号功率谱的累加分 布( c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ，c d f ) 得到9 5 的频率点，这个点就是我们要找的转折频 率。至此可知，卯越高就表示了速度越高，速度越高转折频率就越高，从而将速度与频率 联系到一起。 我们经常还会看到一个参数，叫带到2 1 。这个概念主要是因为技术指标从模拟领域转换到 数字领域的时候，需要将频率响应转换成上升时间。信号通过传输线传输时，可以看成是信 号各频谱分量同时在传输线中传播，有些频谱分量会因为损耗而衰减掉，有些则会失真加强。 到了接收端之后，需要通过频谱分量响应重新生成信号，将频率响应转换成上升时间，这个 时候就要涉及到这个参数。带宽是针对传输系统和转换过程的，在将频率响应转换为上升时 间的时候就是转换精度。所以，设备制造商通常都会给出这个值来告诉使用者设备的精度， 例如，示波器制造商通常会给每个垂直放大器标出最大工作带宽，也为每个探头标出相应的 最大带宽，超过这个带宽的频谱分量响应会被舍弃掉。凭借经验，从时域图中测量1 0 到9 0 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 的上升时间可以得到与带宽的近似关系表达式：b w = 0 3 5 t r 。从这里可以看出这个带宽和甜 非常像，但其数值上又有所不同。可以理解，如甜是与发送信号相关，是将时域信号转化为 频域信号，傅里叶正变换的结果中能量9 5 的频谱截止点，而带宽与信号频率响应重新生成 信号相关，是从频域转到时域，傅里叶逆变换过程中所用到的频谱谐波截止点，两者在系数 上有略微区别。高出带宽低于转折频率部分的频谱能量不会被用于信号的还原，但这部分能 量依然会影响传输系统。信号通过传输系统传输时，高次频谱分量的损耗会比低次频谱分量 更大，用频谱分量测试得到的结果会取决于信号路径，另外在将频率响应转换为上升时间的 计算过程中，有时候也会人为的将幅度非常小的谐波丢弃。通常对于分析电路以转折频率来 分析，分析的主体是信号，我们想做的是尽可能保证信号无失真的传输。 传输线效应是信号完整性分析中必须了解的概念。首先来对集总系统与分布系统进行认 识，传输系统对于输入信号的响应，很大程度上取决于系统尺寸是否小于信号中最快的电气 特性的有效长度。如上升沿有效长度l = 上升时间传播速度；如普通f r 4 中电的传播速度为 5 6 i r g n s ，当上升时间为l n s 时，其上升沿有效长度l = l n s x 5 6 i n n s = 5 6 i n 。通过对系统响应的 测量，如果所有点同时响应为一个统一电位，则成系统是集总的，反之成系统是分布的。区 分的标志还是与上升时间相关，如果连线的长度小于上升沿有效长度l 的1 6 时称系统是集 总的。我们得到这样的结果：如果系统是分布的，那么我们肯定要考虑传输线效应，如果是 集总的，可以不考虑传输线效应。那么是不是系统是集总的就不需要考虑信号完整性么? 其 实不然，从参考文献 3 】中的分析可以知道，即使是集总的系统，也会发生反射，振铃等现象， 实际信号除了与传输线长度有关还会与负载等其他因素有关，所以单纯的认为集总系统不会 发生传输线效应是错误和片面的。 至此分析可知，与信号完整性相关的基本上是高速电路。信号完整性的范围非常宽泛， 虽然经常说信号完整性包括反射、串扰、地弹和e m i ，但实际上所有影响信号正确接收的影 响都包含在信号完整性中。除了高速电路以外，像一些模拟和射频链路对信号质量要求非常 高的电路，在p c b 绘制时也需要非常仔细的考虑。 在本节中，分析和讨论了高速的含义，了解了高速与高频的区别与联系，对我们所要研 究的主要对象高速电路进行了初步了解，并且利用卯将时域电压特性d v d t 与频域联系起 来，同时介绍了集总与分布系统。所有的分析都围绕着d v d t 来进行，它信号完整性的核心 特征。 3 2 信号回流路径 在电路原理中有两个最基本的定理：1 、电流是个环路；2 、电流路径是阻抗最小的环 路。这两个定理不仅在普通电路中适用，在高速电路系统中依然适用。信号在传输线中传输 的是电流，那么根据第一个定理，信号也应该是一个环路。现在需要解决的问题就是环路在 哪里，我们如何确定环路位置? l o 杭州电子科技人学硕士学位论文 关于信号回流路径在参考文献【2 】进行了比较详细的描述，这里不再重复叙述。但对于如 何确定返回路径的位置，是本文要进行讨论的问题。返回路径的位置对信号完整性分析而言 十分重要，它关系到p c b 上各部分之间的干扰问题。返回路径与信号线一样，也是信号传播 的路径，信号线与返回路径形成一个完整的电流环路。 现在我们就开始研究返回路径的位置问题。首先，我们来观察人们已经得到的实际仿真 结果： f = 1 k i l t 图3 1 信号频率与回流路径 从图3 1 中可以看到，根据信号频率的不同其信号的回流路径是不同的，当信号频率较低 时，信号的回流路径呈现近似端到端的直线连接路径，而在频率较高时信号的回流路径紧贴 着信号传输线。可以得到一个结论，当参考平面完整时，频率越高其返回路径越集中并且紧 贴信号线，频率越低返回路径越发散并且远离信号线。这是一个实验结论，可以作为经验积 累，下面要来分析这种现象的成因，来理解为什么信号返回路径是这样分布的。 首先来理解阻抗的概念，根据欧姆定律阻抗等于电压与电流的比值，这里的电压与电 流既可以是稳定的，也可以是变化的，还可以是复数形式。 阻抗计算式定义为： z ：_ v ( 3 2 ) i 下面给出电路中电阻，电容，电感等基本元器件的阻抗计算公式。 理想电阻两端的电压与流过的电流之间的关系如下： v = i x r ( 3 3 ) 将上式带入式3 2 得： z ：了v ：竿：r ( 3 4 ) ii 、 由式3 4 可知，电阻的阻抗就是电阻本身，它的大小与电压和电流无关，至于自身特性 有关。 在电路原理中已经对电容的电压电流特性有很详细的推导与描述，电容的电压电流特 性可以定义： ，：c d r ( 3 5 ) 杭州电子科技大学硕士学位论文 将上式带入式3 2 得： 扛乏 d t 上式表明，电容的阻抗与它两端的电压波形的确切形状有关， 升沿或下降沿很快) ，则流过的电流很大，电容的阻抗变得很小。 电感两端的电压电流关系： y ：三坐 d t 将上式带入式3 2 得： ( 3 6 ) 电压波形的斜率很大( 上 ( 3 7 ) m z ：一v ：巫 ( 3 8 ) jl 从上式中可知，如果电流迅速变化，电感的阻抗就会变的非常大，对于直流而言电感 的阻抗接近0 值。 从上面的分析可以判断，使用传输线r l c 模型，在频率较高的频段阻抗主要是电感的 阻抗，整体电流必须是一个环路，而整体路径取决于环路电感，电流选择环路电感最小的 路径传输。 这个结论中要特别注意的电感是环路电感，环路电感与电感元器件在概念上是不同的， 下面来分析环路电感。 前面的分析都是基于电路原理的分析，现在为了更深刻理解电感，我们可以使用电磁 场的理论来进行分析，来理解环路电感。根据电磁场中电感的定义，电感是关于电流周围 磁力线匝数的度量，而不是某一点磁场的绝对值。主要与流过单位安培电流时导体周围的 磁力线线圈韦伯数大小的度量。 三：了n ( 3 9 ) i 、。 其中，三表示电感，表示导体周围的磁力线匝数，表示导体中的电流。有这样一个 特性，若通过到导体的电流加倍，磁力线的匝数也会加倍，但两者的比率不变，且与同过 导体的电流完全无关，不管电流是0 安还是1 0 0 安，其电感值是一样的，同样磁力线的匝 数改变时，这一比率依然不会改变。这说明电感实际上只与导体的几何结构有关。 式3 9 所表述的是一段导体电感的计算式，为了解释回流路径问题还要引入两个概念， 自感与互感。如下图所示： 1 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b 图3 2 自感与互感 图3 2 所示，两条临近的导线a 和b ，如果a 中有电流那么a 周围就会有磁力线圈，如 果b 中也有电流，在b 周围也会有磁力线圈。可以看到两条导线很近是b 所产生的磁力线 圈也会围绕住a ，在分析式3 9 时说到过导体电感的特性，现在可以知道，当时所说的磁力 线指的是只有自身电流产生磁力线，这种电感就是自感。自感是导体的特性，与其他磁场 源无关，从图3 2 中可以看到，即使b 中的电流增大，围绕a 的磁力线变多，a 自身产生的 磁力线也不会变化。将由b 产生的围绕在a 周围磁力线，称之为互磁力线，使用互磁力线 匝数通过式3 9 计算的电感称之为互感。可以知道，当b 离a 越近，互感就越大。互感会 影响导体周围磁力线的总匝数，如图3 2 当a 和b 的电流方向相同时，互磁力线方向与自 感磁力线方向相同，围绕导体的磁力线总匝数就等于自磁力线加上互磁力线匝数。如果a 与b 的电流方向相反，那么围绕导体的磁力线总匝数就等于自磁力线减去互磁力线匝数。 所以根据式3 9 计算总电感时，其计算结果是变化的。 在电磁场中有一个非常重要的定理，电磁感应定理。它所描述的是当一段导体周围的 磁力线总匝数发生变化，导体两端就会产生电压，定义感应电压： y ：一型 ( 3 1 0 ) a t 其中，y 表示感应电压，a n 表示磁力线变化量，垃表示磁力线匝数变化的时间，负号 表示感应电压与原电压反向。 | 财 图3 3 感应电压 1 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 y ：一竺：一坐：屯塑 ( 3 1 1 ) ，= 一一= 一一= 一j 一 j a b t 上 d l 1 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 图3 5 两个面积相等单回路电感不同的同路 从上图中可知了解到环路面积对于回路电感并不是绝对的，之所以平常这样说都是正 确的，是因为信号路径与返回路径之间的距离如图3 4 中的b c 和d a 两段基本上是板层的 厚度，与长度相比非常小。而当b c 和d a 的长度变长，那么用环路面积来描述就会产生 不当，所以对于环路路径还是要用环路电感来描述。 3 3 时序 通过前两节的讨论，理解了两个在信号完整性仿真中需要的基本概念。现在来讨论信号 完整性的综合表现之一：时序。时序是一个非常重要也是非常复杂的研究领域。影响时序的 内容很多，在时序分析中，串扰、反射、地弹、e m i 等等都会对时序产生影响。本文从p c b 设计的角度出发，只研究分析p c b 板能否满足系统正常工作下的时序要求，对于芯片内部的 影响不进行研究。如果设计完成的p c b 无法提供较好时序分配，将会对平台编程带来很大麻 烦，并且可能造成系统无法正常工作与使用，甚至产品开发失败。所以对于时序而言，硬件 平台就需要做的足够好，才能让产品实现各项功能。 时序指的是在一个时钟周期内，必然发生一定数量的操作，必须在预算中划分某段较短 的时间并分配给各种不同的操作。随着时钟周期的减小，时序预算变得越来越困难，这对于 p c b 设计来说是一个挑战。一名p c b 绘图工程师，从原理图硬件电路设计开始，到p c b 绘 制完成，对于小规模的简易系统而言基本上就到此为止了。但对于一个复杂系统来说，这还 远远不够，p c b 工程师在接触到复杂系统之后，会面临各种各样在简易低速系统