（信号与信息处理专业论文）信号完整性分析及其在高速pcb设计中的应用.pdf

摘要 摘要 随着集成电路开关速度的提高以及p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 板密度的增加， 信号完整性问题已成为高速p c b 设计必须关注的问题之一。元器件和p c b 板的 参数、元器件在p c b 板上的布局、高速信号的布线等因素，都会引起信号完整性 问题，导致系统工作不稳定，甚至系统崩溃。如何在高速p c b 设计过程中充分考 虑信号完整性因素，并采取有效的控制措施，已成为当今p c b 设计业界的一个热 门课题。 本文首先介绍了传输线理论，详细分析了高速p c b 设计中的信号完整性问 题，包括反射、串扰、同步开关噪声等，然后利用m e n t o rg r a p h i c s 公司的e d a 软件h y p e r l y n x 对给定电路模型进行了反射、串扰仿真，并给出了通过端接技术 减小反射的仿真波形和通过改变传输线参数对串扰的影响的仿真波形，最后总结 了解决反射、串扰和同步开关噪声的措施，并介绍了基于信号完整性分析的高速 p c b 板设计流程。根据以上研究结果，在充分考虑信号完整性的基础上，运用相 应的分析方法，借助强有力的e d a 工具，本人在研究生期间完成了高速数据采 集传输系统电路板的设计制作。优化后的p c b 板性能稳定可靠，缩短了研发周期， 降低了成本，也进一步表明了信号完整性分析对于高速p c b 设计的重要性。本文 所得出的结论对实际高速p c b 设计以及与此相关的一些工程实现具有一定的指 导意义。 本文所完成的工作主要有以下几个方面： 1 对引起信号完整性问题的反射、串扰、s s n 进行了较深入的理论分析； 2 给出了在常见情况下解决信号完整性问题的一些方法，并进行了相应的 仿真验证； 3 ，运用信号完整性分析方法，独立完成了高速数据采集系统p c b 板的设计 制作； 4 完成了系统a d 部分的调试。 关键词：信号完整性，h y p e r l y n x ，反射，串扰，高速p c b a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fi n t e g r a t ec i r c u i ts w i t c hr a t ea n dp c bd e n s i t y ，s i g n a li n t e g r i t y h a sb e c o m eo n eo ft h em a i np r o b l e m si nh i g h - s p e e dp c bd e s i g n h o wt of u l l y c o n s i d e rs ia n dt a k ee f f e c t i v em e a s u r e sh a sb e e nah o tt o p i ci np c bd e s i g nf i e l d f i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st r a n s m i s s i o n l i n e t h e o r y , a n a l y z e ss 1i n t h e d e s i g no fh i g hs p e e dp c b ，i n c l u d i n gr e f l e c t i o n ，c r o s s t a l k ，s i m u l t a n e o u ss w i t c hn o i s e e t ci nd e t a i l s e c o n d l y , t h ed i s s e r t a t i o ns i m u l a t e st h er e f l e c t i o na n dc r o s s t a l ko ft h e g i v e nc i r c u i tm o d e l su s i n gh y p e r l y n x ，t h ee d a s o f t w a r eo fm e n t o rc o r p o r a t i o n ，a n d s h o w st h ew a v e f o r m so fr e d u c i n gr e f l e c t i o nb ya d d i n gt e r m i n a t o r sa n dt h ew a v e f o r m s o ft h ec r o s s t a l ki n f l u e n c e db yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so ft r a n s m i s s i o nl i n e s a tl a s tt h e d i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h es o l u t i o n st or e d u c i n gr e f l e c t i o n ，c r o s s t a l ka n ds s n ，a n d i n t r o d u c e st h ed e s i g nf l o wo fh i g hs p e e dp c bb a s e do ns i a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h a b o v e ，t h i n k i n gc a r e f u l l ya b o u ts i ，t h ea u t h o rf i n i s h e dt h ep c bd e s i g no fh i g hs p e e d d a t as a m p l i n gs y s t e mw i t ht h eh e l po fe d at o o l s t h eo p t i m i z e dp c bh a ss t e a d ya n d c r e d i b l ep e r f o r m a n c e ，t h ed e v e l o p m e n tp e r i o di ss h o r t e n e da n dt h ec o s ti sr e d u c e d ， t h u sp r o v i n gt h a ta n a l y s i so fs ii sv e r yi m p o r t a n tt oh i g hs p e e dp c bd e s i g n t h e c o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h ed i s s e r t a t i o na r eh e l p f u lt ot h ed e s i g no fh i 曲s p e e dp c b a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o j e c t s t h em a i nt a s k si nt h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o f l o w s ： 1 a n a l y z e dt h ec o r r e l a t i v et h e o r yo fs i g n a li n t e g r i t ys u c ha sr e f l e c t i o n ，c r o s s t a l k ， s i m u l t a n e o u ss w i t c hn o i s ee t ei nd e t a i l ， 2 s i m u l a t e dr e f l e c t i o na n dc r o s s t a l k ，g a v et h ec o r r e s p o n d i n gw a v e f o r m s ，a n d s u m m a r i z e dt h es o l u t i o n st or e d u c i n gr e f l e c t i o n ，c r o s s t a l ka n ds s n ， 3 u s i n gt h em e t h o do fs i g n a li n t e g r i t ya n a l y s i s ，f i n i s h e dt h ep c bd e s i g no fh i g h s p e e dd a t as a m p l i n gs y s t e mi n d e p e n d e n t l y , 4 f i n i s h e dd e b u g g i n ga dm o d u l e k e yw o r d s ：s i g n a li n t e g r i t y , h y p e r l y n x ，r e f l e c t i o n ，c r o s s t a l k ，h i g hs p e e dp c b i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：虫毯虹 日期：如d 6 年年月为日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：她蝗导师签名： 日期：伽 第一章引言 1 1 课题背景及研究现状 第一章引言 当今电子技术的发展日新月异，大规模超大规模集成电路越来越多地应用到 通用系统中。同时，深亚微米工艺在i c 设计中的使用使得芯片的集成规模更大。 从电子行业的发展来看，1 9 9 2 年只有4 0 的电子系统工作在3 0 m h z 以上的频率， 而且器件多数使用d i p 、p l c c 等体积大、管脚少的封装形式，到1 9 9 4 年已有5 0 的设计达到了5 0 m h z 的频率，采用p g a 、q f p 、r g a 等封装的器件越来越多。 1 9 9 6 年之后，高速设计在整个电子设计领域所占的比例越来越大，1 0 0 m h z 以上 的系统己随处可见，b a r ed i e 、b g a 、m c m 这些体积小、管脚数已达数百甚至上 千的封装形式也已越来越多地应用到各类高速超高速电子系统中1 1 1 。 i c 芯片的发展从封装形式来看，是：苎：片体积越来越小、引脚数越来越多。同 时，由于近年来i c 工艺的发展，使得其速度越来越高。由此可见，在当今快速发 展的电子设计领域，由i c 芯片构成的电予系统是朝着大规模、小体积、高速度的 方向飞速发展的，而且发展速度越来越快。这样就带来了一个问题，即电子设计 的体积减小导致电路的布局布线密度变大，而同时信号的频率还在提高，从而使 得如何处理高速信号问题成为一个设计能否成功的关键因素。随着电子系统中逻 辑和系统时钟频率的迅速提高和信号边沿不断变陡，印刷电路板的线迹互连和板 层特性对系统电气性能的影响也越发重要。对于低频设计，线迹互连和板层的影 响可以不考虑。当频率超过5 0 m h z 时，互连关系必须以传输线考虑，而在评定 系统性能时也必须考虑印刷电路板板材的电参数。因此，高速系统的设计必须面 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振铃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 的频率以上，4 5 0 m h z 的c p u 也将 广泛应用，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 高速系统设计带来了困难。同时，高速系统的体积不断减小使得印制板的密度迅 速提高，对印制板的设计要求也相应提高，因此信号完整性问题已经成为新一代 高速产品设计中越来越值得注意的问题。 电子科技大学硕士学位论文 信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y ，简称s i ) 是指在信号线上的信号质量。信号完 整性差不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。主要 的信号完整性问题包括反射、振铃、地弹、串扰等 “。 源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将部分电压反射回源端。 如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负；反之，如果负载阻抗大于源阻抗，反 射电压为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面 的不连续等因素的变化均会导致此类反射。信号的振铃( r i n 卫i n g ) 和环绕振荡 ( r o u n d i n g ) 由线上过度的电感和电容引起，振铃属于欠阻尼状态而环绕振荡属 于过阻尼状态。信号完整性问题通常发生在周期信号中，如时钟等，振铃和环绕 振荡同反射一样也是由多种因素引起的，振铃可以通过适当自；端接予以溅小，翟 是不可能完全消除。在电路中有大的电流涌动时会引起地弹，如大量芯片的输出 同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与 电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面( 0 v ) 上产生电 压的波动和变化，这个噪声会影响其它元器件的动作。负载电容的增大、负载电 阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。振铃 和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象( 伴有地平面回路) ，串扰则是由 同一p c b 板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。串扰是两条信 号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合 电流，而感性耦合引发耦合电压。p c b 板层的参数、信号线间距、驱动端和接收 端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。 为解决这些高速和复杂电路板上的信号完整性问题，必须在绘制电路板之前 就对设计进行仿真和综合。如何在p c b 板做板之前分析验证板级信号完整性问题 是设计成功的关键。在电子设计中已经有多种可以用于p c b 板级信号完整性分析 的模型。本课题将主要采用i b i s 模型。i b i s 模型是一种基于v i 曲线的对i o b u f f e r 快速准确建模的方法，是反映芯片驱动和接收电气特性的一种国际标准， 它提供一种标准的文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升下降时间及输入负 载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应的计算与仿真。现在已有多家半导 体器件生产厂家及c a e e d a 公司支持此i b i s 规范，提供不同器件的i b i s 模型 及软件仿真工具。现在p c b 设计的时间越来越短，越来越小的电路板空间，越来 越高的器件密度，极其苛刻的布局规则和大尺寸的元件使得设计师的工作更加困 难。采用s 1 分析方法及相关技术的应用，可在p c b 设计前期进行信号规则的分 析( 如时序和关键信号的分析) ，然后将分析所得的电气规则输入布线工具进行具 2 第一章引言 体布线设计，这样既可在设计过程中保证信号质量，又可解放人力、提高设计效 率，满足市场要求。而这也正是现今国际领先的p c b 设计方法和流程，脱离了 s 1 分析技术就无法作到这点。 将s i 深入地融入到产品开发尤其是高速p c b 设计当中，最终为产品设计提 供优化的解决方案，已经成了产品成功的关键一环。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 、 h p 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 团队进行过多年探索研究外，其他几乎还是个空白，这就带来了很多问题，同时 也已引起了国内同行的重大关注。 随着数字系统的高速化和小型化，信号完整性的研究成为设计人员不可避免 的问题。信号完整性是一个复杂的问题，而这一领域的研究并不成熟，很多时候 设计人员都是凭经验来解决问题。i b i s 模型的精度甚至是正确度有待提高，由于 i b i s 模型的建立及其品质的保证需要昂贵的成本，这一过程需要市场需求推动i c 供应商的投资。目前广泛使用的一些仿真工具的效果也不是特别理想，仿真结果 与实际情况有一定的差异。这主要是因为信号完整性问题并非单独由某一个原因 产生，它是在一个复杂的实际环境中产生的畸变。由于电源系统中的一些模拟干 扰，电源的质量( 即电源完整性，p o w e ri n t e g r i t y ，p i ) 对信号的影响往往比s 1 问题本身还要严重。将s i 与p i 结合起来进行分析的需求日益迫切，目前已经有 一些s p l 分析的工具软件，但都还不够成熟。另一方面，e m c ( e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ，电磁兼容) 也是与s i 密切相关的问题。综合分析s i 与e m c 问题 也成为未来发展的趋势。 基于信号完整性分析的高速数字系统设计分析不仅能够有效提高产品设计的 性能，而且可以缩短产品开发周期，降低开发成本。在数字系统向高速、高密方 向发展的情况下，掌握这一设计利器已十分迫切和必要。随着信号完整性分析的 模型以及计算分析算法的不断完善和提高，利用信号完整性进行计算机设计分析 的数字系统设计方法将会得到越来越广泛的应用。 总之，信号完整性问题是目前高速数字系统设计领域面临的严峻挑战。设计 方法、设计工具，乃至设计队伍的构成和协作以及设计人员的思路，都需要不断 的改进，确保系统正常工作是设计人员的最终目的。本课题就基于信号完整性分 析的高速数字p c b 的设计方法将进行一些探索。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 论文内容安排 论文的章节安排如下： 第一章：引言，简要介绍本课题的研究背景和研究现状，以及论文的结构安 排和完成的主要工作。 第二章：介绍传输线理论基础，主要包括传输线的结构，传输线的特征阻抗 和传播速度等。 第三章：重点讨论了反射，串扰和同步开关噪声的原理。 第四章：介绍了信号完整性的解决方法，并利用m e n t o rg r a p h i c s 公司的 h y p e r l y n x 仿真软件对给定电路模型进行反射、串扰仿真并给出了仿真波形。 第五章：简单介绍了基于信号完整性分析的高速p c b 的设计方法。 第六章：以高速数据采集传输卡的板级实现过程为例，介绍了如何在p c b 设 计中做到良好的信号完整性。 第七章：结论。 1 3 论文完成的主要工作 本文所完成的工作主要有以下几个方面： 1 对信号完整性问题中的反射、串扰、s s n 进行了较深入的理论分析； 2 给出了在常见情况下解决信号完整性问题的一些方法，并进行了相应的 仿真验证： 3 根据项目要求，运用信号完整性分析方法，完成了高速数据采集卡电路 板的设计制作； 4 完成了系统a d 部分的调试。 4 第二章传输线理论基础 第二章传输线理论基础 在今天的高速数字系统中，由于p c b 走线在高频条件下会表现出传输线效 应，所以必须把p c b 或多芯片模块( m c m ) 上- 面的连线当作传输线来处理。我们再 也不能如同处理低速电路设计一般，视互连为集总电容或简单的延迟线。这是因 为传输线效应所带来的影响已经成为考虑时序电路设计冗余的重要因素之一。我 们要对p c b 的结构给予极大的关注，这样才能对传输线的影响进行预估和评测。 在本章，我们将介绍用于数字系统中的典型的基本传输线结构和理想情况下的传 输线理论。 21p g b 上的传输线结构 典型p c b 或m c m 中所见到的传输线结构是由嵌入或临近电介质或绝缘材 料，并且具有一个或多个参考平面的导线构成。典型p c b 中的金属是铜，而电介 质是一种叫f r 4 的玻璃纤维。数字设计中最常见的两种传输线类型是微带线和带 状线。微带线通常指p c b 外层的走线，并且只有一个参考平面。微带线有两种类 型：埋式或非埋式。埋式微带线就是将一根传输线简单地嵌入电介质中，但其依 然只有一个参考平面。带状线是指介于两个参考平面之间的内层走线【l 】。 徽带线 一，一 愿籁愚曩! 基誊，一 带状线 翼曩舅舅舅舅舅舅黑黑| | 聆一 縻麓黛蒙| 嚣游l 臻辩萋豢蕈褥辩黪藏溺鬻 图2 - 1 典型p c b 传输线 导线 绝缘材质 地层 地层 导线 绝缘材质 地层 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 1 所示为p c b 上不同元件之间的内层走线( 带状线) 和外层走线( 微带线) 。 标识处的剖面图显示了传输线与地层的相对关系。在本章中，传输线通常会用剖 面图的方式来表示。这对以后计算和直观化不同传输线的描述参数很有用。 2 2 波形传输 在高频中，当信号的边沿速度( 上升或下降时间1 相对于信号的传送时间较小 时，信号将受到传输线效应的极大影响。电信号在传输线里传输就像水在切面为 矩形的管子中流过一样，这也就是常况的电波传播。电波传送和水波传送有着类 似之处，首先它们都具有波形，且都是时限传播。其次，传输线里的电压就像矩 形水管里水的高度，而水流则就像是电流。图2 2 所示为表示传输线的常见方式。 上面的线是信号路径，而下面的线是电流的返回路径。电压是输入的初始电压， 而v s 和z s 指的是信号源或者激励的输出缓冲器的戴维南等效电路中的电压源和 内阻【”。 v s 。三：! 么兰竺 呕蕊返霞薅弪 2 3 传输线参数 图2 - 2 描述信号在传输线上传播的典型方法 为了分析高速数字系统的传输线效应，必须定义传输线的电气特性。传输线 的基本电气特性是它的特征阻抗和它的传播速度。 特征阻抗类似于水管的宽度，而传播速度类似于水流过管子的速度。为了定 义和导出这些术语就有必要分析传输线的基本特性。如图2 2 所示，沿着传输线 传送的信号将会在信号路径和回流路径( 通常被称为地回路或地，甚至参考平面是 电源层) 之间产生一个电压差。当有电压差的时候就会产生电场，而当电信号流过 传输线的时候又会产生磁场，这就形成了交织的电磁场。既然传输线具有电磁特 性，那么我们就能构建一个传输线模型了。图2 3 所示就是一个传输线方向向着 第二章传输线理论基础 纸内的信号电流的电磁场的描述。 一鞋嗵癣学臣 图2 - 3 假定电信号沿线进入纸内传播的电磁场 当我们假设一根连线是无损电路时，我们用l 、c 来构建连线的模型。但用 l 、c 来构建传输线模型就不合适了，因为传输线是有损的，我们必须加上串联 的电阻和并联的电阻。图2 - 4 所示为传输线微分段的等效电路模型。串联电阻r d z 代表了传输线并不是纯导体而是有损耗的，并联电阻g d z 代表的是在传输线和地 之间的绝缘体是有限大的电阻，串联电感l d z 代表磁场，而电容c d z 代表传输线 与地层之间的电场。在本章我们将这个模型称为r l c g 单元。 2 3 1 特征阻抗 图2 - 4 传输线微分段的等效电路模型( r l c g 模型、 传输线的特征阻抗z 。定义为线上任意点电压和电流的比率，即z 。= v ，。图 2 5 所示为一条传输线的二种表示法。图2 5 ( a ) 所示为用上述r l c g 单元建模 的长度为d z 的传输线的微分段，并且用一个阻抗为z 。的器件端接。r l c g 单元 的特征阻抗被定义为电压v 和电流i 的比率。假定负载z 。正好等于r l c g 单元的 特征阻抗，则图2 5 ( a ) 所示可以用图2 5 ( b ) 所示的无限长传输线表示。图2 5 ( a ) 中的端接z 。简单地表示了组成整个传输线模型的无限个阻抗为z 。的附加 r l c g 片段。因为端接电阻处的电压与电流的比率z 。与r l c g 片段的相同，则从 电压源看过去，图2 5 ( a ) 和( b ) 是没有区别的。利用这个简化就可以导出无 电子科技大学硕士学位论文 限长传输线的特征阻抗【1 1 。 z s z si l 1 2 i n ( a ) ( b ) 圈2 - 5 导出特征阻抗的方法( a ) 微分片段( b ) 无限陡传输线 为了导出传输线的特征阻抗必须分析图2 - 5 ( a ) 。假定传输线的特征阻抗等 于端接阻抗z 。，则求解图2 - 5 ( a ) 的等效电路的输入阻抗可得到下式： z o 一悸= j 焉 。， 其中，r 为每单位长度欧姆，l 为每单位长度亨利，g 为每单位长度西门子， c 为每单位长度法拉，而。为每秒弧度。因为r 和g 都比其他项要小得多，所以 通常特征阻抗近似为z 。= 王7 石。只有在甚高频或有极大损耗的走线时，阻抗的 r 和g 分量才变得重要。有损传输线必须使用更为复杂的特征阻抗f 如含有虚部分 量) 公式。不过为了数字设计的目的，只有特征阻抗的幅值才是重要的。 磊2 赢m 翻 驴万6 0m 盎 图2 - 6 典型传输线的特征阻抗近似( a ) 微带线( b ) 对称带状线 第二章传输线理论基础 为了得到最大的精确度，需要选用二维电磁场求解器来计算p c b 走线阻抗。 求解器将计算出单位长度的阻抗、传播速度以及l 和c 分量。因为r 和g 通常 对阻抗影响极微，所以能给出l 和c 的分量就足够了。如果没有电磁场求解器， 则图2 6 所示的公式将提供典型传输线阻抗值的有效近似公式，它是走线的几何 结构和相对介电常数，的函数。 2 3 2 传播速度、传播时间和传播距离 传输线上的电信号的速度传播与周围介质有关。传播延迟通常用秒米来度 量，它是传播速度的倒数。传输线的传播延迟与周围介质的介电常数的平方根成 正比。传输线的时间延迟仅指信号传播过整个线长所用的时间总量。以下等式表 示了相对介电常数、传播速度、传播延迟和时间延迟之间的关系： v ：( 2 - 2 ) 、e r 。一! 一王 1 d 一 一 vc 7 1 一业 1 d ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中： v 一传播速度，单位m s c 一真空光速( 3 x 1 0 8 m 肛) s 相对介电常数 晶一传播延迟，单位s m l 信号在传输线上传播长度x 的时间延迟，单位为s z 一传输线长度，单位m 时间延迟也可由传输线的等效电路模型求出： l = 4 l c ( 2 - 5 ) 其中l 是线长的总串连电感，而c 是线长的总并联电容。 必须注意上面的等式都是假设没有磁性材料存在的，即i ir = l ，因为在公式中 不考虑磁性材料。 电子科技大学硕士学位论文 传输线的延迟取决于绝缘材料的介电常数、线长和传输线剖面几何结构。剖 面几何结构决定了电场是完整地包含在电路板内还是散射到空中。由于典型的 p c b 板是用介电常数近似为4 5 的f r 4 制造的，而空气的介电常数是1 o ，则最 后得到的有效介电常数是两者的加权平均。电场在f r 4 的数量和在空气的数量决 定了介电常数有效值。当电场完全被包围在板内时( 例如带状线) ，其有效介电常 数将大一些，因而信号将比外层走线传播慢一些。当信号走在板子的外层时( 例如 微带线1 ，电场散射到绝缘材料和空气中，具有较低的介电常数，因而信号将会比 内层的传播更快。 微带线的有效介电常数计算公式如下： 铲竿+ 字( ，+ 等r z + f - 0 2 1 7 b 柚击 p s ， f = 唔c ” 嗜w ，1 ) 其中，s ，是板材的介电常数，h 是走线到参考平面的高度，w 是走线宽度， 而t 是走线厚度。 1 0 一h l 川、 o p 眈0 0 第三章信号完整性的基本理论 第三章信号完整性的基本理论 近几年来，随着集成电路工艺技术的飞速发展，使得其工作的速度越来越高。 电子设计的体积减小导致电路的布局布线密度变大，集成电路输出开关速度的提 高，而同时信号的工作频率还在不断提高，从而使得如何处理高速信号问题成为 一个设计能否成功的关键因素。因此，高速系统的设计必须面对反射、串扰以及 传输线效应等信号完整性( 信号质量) 问题。信号完整性已经成为高速数字p c b 设计必须关心的问题之一。 3 1 信号完整性基本概念 高速数字系统一般包括两方面的定义：其一是指系统的工作频率高；其二是 指系统中的信号的边沿( 上升沿下降沿) 变化速率快。般认为，当系统的工作 频率达到或者超过5 0 m h z 时，就称为高速数字系统。然而更为重要的是，如果 信号上升沿下降沿的变化速率很快，那么即使系统的工作频率很低也要被看作是 高速数字系统。通常约定，如果信号在信号线中传播延迟大于1 6 信号驱动端的 上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应【“。 信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y ，简称s i ) 是指信号在信号线上的质量，是信号 在电路中能以正确的时序和电压作出响应的能力。当电路中信号能以要求的时序、 持续时间和电压幅度到达i c 时，该电路就有很好的信号完整性。信号完整性差不 是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的信号完 整性问题包括反射、振铃、地弹、串扰等。 反射( r e f l e c t i o n ) 就是在传输线上的回波。信号功率( 电压和电流) 的一部 分传输到线上并到达负载处，但是有一部分被反射了。如果源端与负载端具有相 同的阻抗，反射就不会发生了。源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载 将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负；反之，如 果负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。布线的几何形状、不正确的线端接、经 过连接器的传输及电源平面( 参考点) 不连续等因素的变化均会导致此类反射。 过冲( o v e r s h o o t ) 就是第一个峰值或谷值超过设定电压，对于上升沿是指最 电子科技大学硕士学位论文 高电压而对于下降沿是指最低电压。下冲( u n d e r s h o o t ) 是指下一个谷值或峰值。 过分的上冲能够引起保护二极管工作，导致其过早的失效。过分的下冲能够引起 假的时钟或数据错误( 误操作) 。 振铃( f i n g i n g ) 的现象是反复出现过冲和下冲。由线上过渡的电感和电容引起 的振铃属于欠阻尼状态，而环绕振荡( r o u n d i n g ) 属于过阻尼状态。信号完整性 问题通常发生在周期信号中，如时钟等。振铃和环绕振荡同反射一样也是由多种 因素引起的，振铃可以通过适当的端接予以减小，但是不可能完全消除。 图3 - 1 信号完整性问题不意图 在电路中有大的电流涌动时会引起地弹，如大量芯片的输出同时开启时，将 有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感 和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面f o v l 上产生电压的波动和变化， 这个噪声会影响其它元器件的动作。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感 的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大【3 j 。 振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象( 伴有地平面回路) ，串 扰( c r o s s t a l k ) 则是由同一p c b 板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三 线系统。串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪 声。容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。p c b 板层的参数、信号 线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。 魄舔 第三章信号完整性的基本理论 3 2 传输线的反射 信号反射是指传输线上的回波，信号功率的一部分经传输线传给负载，另一 部分则返回源端。信号完整性所讨论的问题中，反射( r e f l e c t i o n ) 占了很大一部 分比重。驱动电路特性和传输线特性极大地影响了从一个器件传送到另一个器件 的信号完整性。所以，理解信号如何发射进入传输线和它在接收器端的波形是很 重要的，虽然很多参数会影响接收器端信号的完整性。 当驱动器发射一个信号进入传输线时，信号的幅值取决于电压、缓冲器的内 阻和传输线的阻抗。驱动器端看到的初始电压决定于内阻和线阻抗的分压。图3 2 描述了一个初始波被发射进入传输线的情况。初始电压形将沿着传输线传播直到 它到达终端。形的幅值决定于内阻和线阻抗之间的分压，其计算式如式( 3 - 1 ) 所 7 k ： 矿：矿土 5 z o + z ， ( 3 1 ) 图3 - 2 发射波进入传输线 如果传输线末端端接的阻抗正好和传输线的特征阻抗匹配时，幅值为y 的信 号端接到地，这样电压k 将保持电平直到驱动端再次转变。这种情况下电压f 是 直流稳态值。如果传输线的末端端接的阻抗不同于传输线特征阻抗，那么一部分 信号被端接到地，而信号的剩余部分将沿着传输线向驱动端反射回去。反射系数 决定了反射回去的信号数量，它被定义为给定节点上的反射电压和入射电压的比 值。在本文中，节点定义为传输线上的阻抗不连续点。阻抗的不连续可以是一段 不同特征阻抗的传输线、一个端接电阻或芯片上缓冲器的输入阻抗。反射系数计 算如下： 。：兰：丝 胪舌2 磊 ( 3 2 ) 其中z 。为传输线特征阻抗，而z 。是不连续的阻抗a 等式假定信号沿着特征阻 电子科技大学硕士学位论文 抗为z 。的传输线行进并遇到不连续阻抗z 。注意，如果z 。等于z ，则反射为零， 意味着没有反射。z 。等于z ，的情况称为终端匹配。 当负载不匹配时，入射波到达终端z 。，信号的一部分k 。被反射回到驱动端， 并与入射波叠加在传输线上产生一个总的幅值为k 。+ k 的电压。反射的分量将会 传播回驱动端，并可能产生另一次离开驱动端的反射。这个反射和逆反射过程将 继续，直到传输线达到稳定的状态。 v 冀 v s o 厶o z o 量 ( a ) ( b ) ，煮! 盏磊兰一 r ”i r _ _ 尊嘲 6 z o p 5 = z 了o - 曹z oi 0 z o 十石 j ，；o - z o = - 1 p o + z o 口：o o - ：l p 2 o o + z o 2 t ( c ) 图3 - 3 特殊情况的反射系数( a ) 端接电阻为z o ( b ) 负载短路( c ) 负载开路 图3 3 描述了反射系数的特殊例子。当传输线端接了一个正好等于特征阻抗 的值时，将没有不连续阻抗存在，而信号也将不反射地直接端接到地。而当负载 开路或短路时，则将会发生全反射，开路时是正反射，而短路时是负反射。 3 3 串扰 串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期 望的电压噪声干扰。过大的串扰可能引起电路的误触发，导致系统无法正常工作。 串扰是由电磁耦合形成的，电磁耦合又可分为容性耦合和感性耦合两种。因此， 第三章信号完整性的基本理论 当信号在通过一导体传输线时会通过两种方式将能量耦合到相邻的传输线导体 上，即容性耦合与感性耦合。 3 3 1 容性耦合 容性耦合是由于干扰传输线( a g g r e s s o r l i n e ) 上的电压变化通过它与被干扰 传输线( v i c t i ml i n e ) 之间的互容将能量耦合到被干扰传输线上，从而导致的电 磁干扰。容性耦合模型如图3 - 4 所示n s o t w ee i l d n o a f e i 硼 一 a g g r e s s o ru l l e ：峰x ! v i c t l r n1 a n o l f d e n d f 叶l 孙d 图3 4 容性耦合的等效电路模型 在两条平行的传输线中截取一小段如，两传输线之间的单位长度互容为c 。 当一电压为k 的激励信号通过干扰传输线的源端传向负载端时，被干扰传输线上 将产生前向耦合电压v ，和后向耦合电压h ，它们与激励信号电压匕之间的关系式 为： 去+ z v i 。2 缸警 海s ， 在这里应用基尔霍夫定律，可以得出前向电压等于后向电压，其表达式为： v ，= v b = 互1 z 。c 。a x d 班v s - ( 3 - 4 ) 前向电压产生的脉冲传向被干扰传输线的远端，后向电压产生的脉冲传向被 干扰传输线的近端。设两平行传输线长度为d ，则被干扰传输线远端所积累的干 一噩一 层 一 电子科技大学硕士学位论文 扰电压v 。为： v 。= 1 2 z 。c 。dd 出v s 它的脉冲宽度近似的等于信号的上升沿宽度。 1 卜 ，一一厂。 ，_ 、l 匕= = = = = = = = = = = = = = = = = = = 羞 l 2 t o f l n e n 爹n 几 | i i 卜【i - ( 3 5 ) 图3 - 5 容性耦合的近端和远端串扰 在近端，由于干扰传输线上的信号传输方向跟被干扰传输线的电压传输方向 相反，因此耦合作用时间是信号上升沿时间的一半。设上升沿时间为t ，经过“2 时间后，这个脉冲电压将稳定的传向近端。由于脉冲电压的产生是连续性的，因 此当最后一个脉冲电压从远端传向近端时，近端将接收到至少2 x t o f 长的脉冲 电压。在图3 - 4 中，a x = v p 去出，其中v ，为相速度。为了简化这个结果，设为 产生的感应电压，贝l j v o 与匕的关系为盟d t2 去，因此近端的积累脉冲电压可表示 为= 丢z 。q 。v 。，又因z o v p = 警= ：，则近端的积累脉冲电压为： = 三等v 。 其中，近端耦合系数 = 丢导 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 由上面结论可以得出容性耦合会在远端产生一个短的脉冲，而在近端产生长 信号，远端脉冲的幅度随着传输线的长度而增加，而近端噪声宽度随着传输线的 长度而增加。当信号边沿从低到高变化时，串扰是正值，当信号边沿由高到低变 化时将是负值。 第三章信号完整性的基本理论 3 3 2 感性耦合 厂一 ：艇槲s s ) rl i i l e n “e n dz 至甄三童蕊至薹娶甄= 虿霓量= 蠹匿3h 嘲e n d n e 蚶e n d ： ie 柱曲l 他 y 二奉t 厂 ： 。 ： 1 1 1 1 1 “萼+ v i ： x f 珊e l 赫 图3 - 6 感性耦合的等效电路模型 引起感性耦合则是由于干扰传输线上的电流变化产生的磁场在被干扰传输线 上引起感应电压从而导致的电磁干扰。感性耦合的等效电路模型如图3 - 6 所示。 相对容性耦合而言，感性耦合的前向电压和后向电压极性是相反的，即k = 一v ， 因此它们之间的关系表达式可表示为： 缸鲁+ v ， ( 3 _ 8 ) 由于t = v ；z 。，因此前向电压和后向电压的表达式分别为： u = 丢昙缸誓 协。， v 。：! 旦血盟( 3 1 0 ) 1r r ，一一厂 ，_ 、e = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 3 0 2 1 _ o f 1 n l i nf e n 图3 7 感性耦台的近端和远端串扰 1 7 0v 非 电子科技大学硕士学位论文 干扰信号在上升沿时间通过感性耦合将在被干扰传输线上产生一个正的后向 电压和一个负的前向电压。如图3 7 所示，感性电压的宽度和幅度变化在这点上 和容性耦合相似。 所以远端脉冲电压 ：一! 旦d 盟 ”一j 瓦“i 近端脉冲电压为 1m ”* 2 百了v 。 3 3 3 综合串扰 ( 3 1 1 ) ，11 1 、 在通常情况下，容性耦合和感性耦合都是同时发生的，因此远端的串扰可以 表示为： v m2 引z 0 c 。一旦z o ) 1 盟d t ( 3 _ 1 3 ) 由于容性耦合和感性耦合对远端产生的串扰极性相反，因此可以互相抵消掉 一部分的串扰。当满足c 。c = m l 时，远端串扰就可以全部抵消。 近端串扰系数为： 2 静+ 孚) ( 3 1 4 ) 因此近端串扰是无法相互抵消的，所以近端串扰总是存在。 而对于非理想地平面或微带传输线，由于感性耦合的影响要大于容性耦合， 从而使得远端串扰极性为负、幅值变大。在电路板中过大的远端串扰幅值会引起 数字电路的误触发，导致系统时序的混乱。 3 4 同步开关噪声 同步开关噪声( s i m u l t a n e o u ss w i t c hn o i s e ，简称s s n ) 是指当器件处于开关 第三章信号完整性的基本理论 状态产生瞬间变化的电流( d i d t ) ，在经过回流途径上存在的电感时，形成交流 压降，从而引起噪声，所以也称为a f 噪声。如果是由于封装电感而引起地平面的 波动，造成芯片地和系统地不一致，这种现象我们称为地弹( g r o u n db o u n c e ) 。 同样，如果是由于封装电感引起的芯片和系统电源差异，就称为电源反弹( p o w e r b o u n c e ) 。所以，严格的说，同步开关噪声并不完全是电源的问题，它对电源完 整性产生的影响最主要表现为地电源反弹现象。 同步开关噪声主要是伴随着器件的同步开关输出( s s o ，即s i m u l t a n e o u s s w i t c ho u t p u t ) 而产生，开关速度越快，瞬间电流变化越显著，电流回路上的电 感越大，则产生的s s n 越严重。基本公式为：v s s n = n l l o o p ( d i d t ) ，其中 i 指单个开关输出的电流，n 是同时开关的驱动端数目，l l o o p 为整个回流路径 上的电感，而v s s n 就是同步开关噪声的大小。这个公式看起来简单，但真正分 析起来却不是那么容易，因为不但需要对电路进行合理的建模，还要判断各种可 能的回流路径，以及分析不同