（电磁场与微波技术专业论文）高速芯片间光互连中并行光收发模块支撑板的设计.pdf

iiill 0 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：刍丝闩期：生! ! ! ：墨：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 南簿 同期：兰竺! ! ：塑 只期：堂! ! ：三：! 呈 r 北京邮电人学硕：l ：生毕业论迁 摘要 高速芯片间光互连中并行光收发模块支撑板的设计 摘要 近些年来，数据传输的大规模增长导致对传输带宽和速率的需求 变得愈发地迫切。然而传统的电互连在传输上存在着带宽有限、速率 难以达到更高的要求和电磁兼容等问题，存在不可突破的瓶颈，使其 无法满足这一日益增长的带宽需求。而光互连以其传输容量大、速率 高、无干扰、低功耗等优点越来越多的受到人们的青睐，势必取代电 互连，成为未来通信中的主要互连方式。 本文主要是为应用在光互连中的高速并行光模块设计制作测试支撑 板。在第一章中，先对并行光互连的研究背景、研究现状进行了调研 与分析。在第二章中，对高速电路中的信号完整性问题进行了研究， 并探讨了一些高速p c b 设计中的关键规则。在第三章中，本文通过 先易后难，逐步探索，完成了1 2 3 1 2 5 g b p s 高速并行光模块测试支 撑板的设计，积累了高速信号开发的经验，并运用到1 2 6 2 5 g b p s 高速并行光模块测试支撑板的设计中，并在实际的测试中得到了与设 计预期基本相符的结果。在第四章中，对于应用在光互连中的m e m s 光交换阵列，研究了现有的几种大规模结构，并提出了一种在光路中 间增加微透镜从而缩小硅基片面积的方案，并以现有的三种大规模 m e m s 为实例，计算出在传统的c r o s s b a r 结构中，置入微透镜后使 得微反射镜比未置入微透镜的半径减小了7 1 ，硅基片面积缩小了 7 7 8 ；在s h u f f l e - b e n e s 结构中，置入微透镜后使得微反射镜比未置 入微透镜的半径减小了4 3 6 ，硅基片面积缩小了7 4 9 ；在 s p a n k e - b e r r e s 结构中，置入微透镜后使得微反射镜比未置入微透镜的 半径减小了4 1 3 ，硅基片面积缩小了7 9 ，提高了m e m s 光交换阵 列的性价比。最后在第五章中对全文进行了总结。 关键词：高速并行光互连信号完整性测试 i ! 室! ! ! ! ! ! ! 叁兰堡! 兰兰些笙竺 摘要 一 ：= ： r 一 零 北京邮电人学硕i j 生毕业论义a b s t r a c t d e s i g no f e v a l u a t i o nb o a r do f h i g h s p e e dp a r a l l e lo p t i c a lm o d u l e a b s t r a ct i nr e c e n ty e a r s ，m a s s i v eg r o w t ho fd a t at r a n s m i s s i o nl e dt ot h e i n c r e a s i n g l yu r g e n td e m a n d f o rb a n d w i d t ha n dr a t e h o w e v e r , t h e t r a d i t i o n a le l e c t r i c a li n t e r c o n n e c t i o nl i m i t e db yn a r r o wb a n d w i d t h t h e r a t et h a ti sd i f ! f i c u l tt om e e tt h eh i g h e rr e q u i r e m e n t sa n de 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 yi s s u e sh a db e c o m eab o t t l e n e c kt e c h n o l o g yi nt r a n s m i s s i o n ， s ot h a ti tc a nn o tm e e tt h i sg r o w i n gd e m a n d t h eo p t i c a li n t e r c o n n e c t w i t hi t sa d v a n t a g e so fh u g ec a p a c i t y , h i g hb i t r a t e ，n o n i n t e r f e r e n c e ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，a n ds oo n ，i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ea t t r a c t i v ef o r p e o p l e a san u m b e ro fi t sa d v a n t a g e s ，t h eo p t i c a l i ti n t e r c o n n e c ti sb o u n d t o r e p l a c e t h ee l e c t r i c a li n t e r c o n n e c t i o n a n db e c o m et h em a i n c o m m u n i c a t i o n si n t e r c o n n e c t t h i s p a p e rm a i n l yr e s e a r c h t h e d e s i g n o fe v a l u a t i o nb o a r do f h i g h s p e e dp a r a l l e lo p t i c a lm o d u l e sw h i c hi su s e di no p t i c a li n t e r c o n n e c t s i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ea d v a n t a g e so fp a r a l l e lo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o ni n t r a n s m i s s i o na n dh i g he f f i c i e n c yc a l c u l a t i o na r ed i s c u s s e d i nt h ec h a p t e r i i ，t h eh i g h s p e e dc i r c u i ta n dt h es i g n a li n t e g r i t yp r o b l e m sh a v eb e e n s t u d i e da n de x p l o r e dan u m b e ro fk e yd e s i g nr u l e so fh i g h s p e e dp c b i n t h ec h a p t e ri i i ，w h i c ht h r o u g ht h ee a s i e ri s s u e sf i r s t ，a n dc o m p l e t e dt h e d e s i g no fe v a l u a t i o nb o a r do f12 x 3 1 2 5 g b p sh i g h s p e e dp a r a l l e lo p t i c a l m o d u l e a n da c c u m u l a t e de x p e r i e n c ei nt h ed e v e l o p m e n to fh i g h s p e e d s i g n a l s ，e v e na p p l i e d t oe v a l u a t i o nb o a r dd e s i g no f12 x 6 2 5 g b p s h i g h - s p e e dp a r a l l e lo p t i c a lm o d u l e t h ea c t u a lt e s ti sc o n s i s t e n tw i t ht h e d e s i g no f t h ee x p e c t e dr e s u l t s a f t e rt h es t u d yo ft h ee x i s t i n ga r c h i t e c t u r e o fs e v e r a ll a r g e - s c a l em e m s ，c h a p t e ri vp r o p o s e da na p p r o a c ho f s h r i n k i n gt h es u b s t r a t eo fm u l t i s t a g e2 dm e m so p t i c a ls w i t c h ，w h i c h m a d em e m so p t i c a ls w i t c h a r r a yc o s t e f f e c t i v e t h e f i n a lc h a p t e r c o n d u c t e dab r i e f s u m m a r yo ff u l lp a p e r k e y w o r d s ：h i g hb i tr a t e ，p a r a l l e lo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n ，s i g n a l i n t e g r i t y ，t e s t r 北京邮f 【 人学硕f ：生毕业论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 光互连技术的应用背景及研究状况2 1 2 1 光互连技术的应用背景2 1 2 2 芯片光互连的研究状况3 1 3 本论文的结构安排4 第二章高速数字系统及p c b 设计规则6 2 1 高速数字电路6 2 2 信号完整性的定义7 2 2 1 串扰1 0 2 2 2 电源退耦1 0 2 2 3 阻抗匹配1 1 2 2 4 内电层及内电层分割1 2 2 2 5 传输线理论1 4 2 3 高速p c b 设计规则1 6 2 3 1 板层的设计1 6 2 3 2 电源层和地层1 7 2 3 3 去耦电容1 9 2 3 4 过孔2 1 2 4 本章小结2 3 第三章高速并行光收发模块测试支撑板的设计2 4 3 11 2 x 2 5g b p s 高速并行收发分立光模块测试支撑板的设计2 4 3 1 1 测试支撑板描述2 4 3 1 2 仿真过孔大小、反焊盘大小的影响2 5 3 1 3 阻抗匹配设计2 8 3 1 4 实测结果2 8 3 21 2 x 6 2 5g b p s 高速并行收发一体光模块测试支撑板的设计2 9 3 2 11 2 x 6 2 5g b p s 高速并行光模块的关键技术3 0 3 2 2 高速并行光模块结构框图3 1 3 2 3 阻抗匹配设计3 2 3 2 4 实测结果3 2 3 3 本章小结3 4 第四章m e m s 硅基片面积缩小的方案3 5 4 1m e m s 简介3 5 4 2 高斯光束模型3 5 4 3 具体实施方案3 6 4 4 仿真结果3 8 第五章总结4 1 参考文献4 2 ! ! 塞! ! ! ! ! ! ! 叁兰堡! 兰兰些垒苎日录 一 = 2 ： 致 谢4 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利4 5 北京邮电人学硕i 二生毕业论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 从光纤的角度来讲，光互连技术已在长距离传输方面应用了数十年，如公用 电话交换网和广域网。近年来光互连技术已进军短距离应用，如计算机之间、机 架之间和网络之间的数据通信。这些应用证明即使在较高的频率，对比传统的电 缆，光纤和波导仍旧可以以较小的损耗和无串扰支持无限距离带宽乘积比。随着 芯片的性能同益增长，芯片输入输出的数据速率也相应的成倍增加，铜导线己接 近其物理极限，高速率、高带宽的要求使得以铜线为基础的互连成了限制系统性 能的瓶颈，因为使用铜线连接的信号传输会受到寄生电阻、电容以及电感的影响， 而且频率越高，这种影响就会越大。所以，传统的电互连将很难为未来高速器件 之间的通信提供信息交换支持。光纤却拥有铜导线无法比拟的优势，光互连在光 信号介质中以光速传播，因此光互连是理想的低时延信息通道；光互连可以轻易 的做到上百通道，单通道可传输1 0 g b p s 或者更高速率的信号，所以光互连可以 提供超高带宽的传输通道；光互连还可以有效的消除信号传输过程中的串扰 ( c r o s s t a l k i n g ) ，降低电磁辐射干扰( e m i ：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 ) 。此外， 由数据速率上升带来的功耗问题也得以控制，其已经在超短距离传输方面呈现出 远远高于金属线的带宽。芯片光互连技术之所以如此受到重视，完全是由光纤网 络的迅猛发展而来，现在芯片间光互连还是新起的技术，在实用之前尚且需要更 多的研究。 随着c m o s ( 互补金属氧化物半导体) 集成度和微处理器的时钟频率的持续 增长，所需的总带宽与主板上的下一代微处理器和芯片组之间的多处理器将大幅 增加。大约在1 9 9 9 年基于c m o s 晶体管的收发器完全能够工作在1 4 g h z 左右 的时钟频率，并支持2 0 g b p s 的数据传输速率。然后这对目前的铜导线来说是一 个巨大的挑战，因为在更高的时钟频率下，在铜导线中传播的电信号将会产生严 重的信号衰减，功率损耗和电磁干扰，研究人员推断在现有的技术条件下，基于 铜导线传播的电信号的极限速率大概是1 5 2 0 g b p s 。制造商们正在寻求使用一些 技术突破电互连的限制，比如增加导线的厚度，使用介电常数更低的板材，在发 射机和接收机的信号输入输出驱动器中采用差分线或者更加复杂的技术，然而， 所有这些可能的解决方案都是昂贵的。 光互连技术的前景将是光明的，它为铜线连接向高速的光连接转型提供了很 大机遇光通讯系统传统上都用于远程数据传输。光互连技术将在未来的几十年中 北京邮i 【1 人学硕i j 生毕业论文 第一章绪论 发挥越来越重要的的作用，希望能够出现板到板级的商用光互连技术，更希望能 够尽快的看到商用级芯片间光互连技术更早的到来。因此，使光连接技术真j 下进 入普通消费者世界的最大问题将是成本问题。芯片互连技术的成本在很大程度上 取决于砷化镓和锗，这是比硅更昂贵的材料。对准也是其中一个更为重要的技术， 目前为止，发射机和接收机与尾纤的耦合依旧是人工对准，为此更加难以设计和 制作。因此，目前的研究重点是在制作方面如何使光互连技术性价比更高，当使 用光互连技术的产品能够大批量制造，具有更低的制造成本的时候，光互连终将 能够取代电互连。 1 2 光互连技术的应用背景及研究状况 1 2 1 光互连技术的应用背景 集成芯片上的晶体管每两年都要翻一番，这就是1 9 6 5 年提出的著名的摩尔 定律。这对同益增长的大规模集成电路有着积极的推动作用，但是却对电互连造 成了负面影响。几年前i c 产业从铝互连到铜互连的一次转变，改善了电阻率和 电迁移这两个特性，但是依旧不能解决集成度和规模增大带来的延迟问题。此外， 2 北京邮l 乜人学硕i ：生毕业论文 第一章绪论 种情况更是如此。因此，下一代网络面临的一个重要挑战是容量压力。 随着c p u 主频的不断提高，在电信干线上传输码流的速率达到几十甚至上 千g b i t 。然而，计算机总线的传输速率还是较低，局域网多数还是在1 0 - 1 0 0 m ， 最高不过g b i t 。显然，计算机内部总线连接和计算机互连的速率将成为整个计算 环境的“瓶颈”。所以很久以来就有人谈论以光作为计算机内部及计算机之间的 互连手段。从原理上讲，用导线连接的数据传输数速率受到寄生参数( 串接电阻 电感和并接电容、导纳) 的限制。而光互连可以克服这些影响。问题是光互连的 成本和体积在过去都无法使之成为普通产品中的工程方案。但两个趋势使情况正 在发生着变化：一是光互连的成本随着激光器件和光波导及其制造技术的进步， 成本和体积都在下降；二是当前的信息社会对于互连的速率要求越来越高。所以 可以看到光互连正在逐步成为高速连接的重要选择。因此，一些研究人员认为在 几年之内，高速光互连会替代电连接。今后将会是使用光子而非电子传输板到板 问和芯片到芯片间的信号。 自从1 9 7 0 年康宁公司制成了第一根低损耗的光纤，对光互连的想象就激发了 研究者、业务提供商和公众的巨大兴趣。光互连的提出可以在很大程度上满足不 断涌现的新的通信应用( 包括互联网浏览、视频点播、视频电话、视频远程会议 等) 对网络带宽的巨大需求。因此，光互连在下一代网络中必将发挥不可替代的 作用。 由于光互连具有电互连所不具备的许多重要优点，因此对其的研究不断深 入，其应用领域正在同益扩大。但有关光互连的前景还有很多争论，比如南加州 大学的列维教授提出，当微处理器的速率达到1 0 千g h z 时，便无法迅速与内存或 者其他微处理器通信，系统性能开始显著下降。所以英特尔一方面为光互连做好 准备，但另一方面也没有完全放弃电互连，仍然抓住许多机会继续将电互连向前 推进。 1 2 2 芯片光互连的研究状况 由于光互连有着电互连不可比拟的优越特性，因此，它吸引了全世界专家与 学者的兴趣，并对其进行了深入的研究。 目前，美国、日本、英国以及加拿大等国家皆投巨资进行光互连网络技术的 研制与开发。光互连技术是从光学数字计算机的研制过程中衍生出来的，现已初 步发展成为- f - j 独立的网络通讯技术。当前大规模并行计算机和数字通讯交换机 对高速互连网络的迫切需求刺激了光学互连网络技术的发展，使其成为一项热门 的高技术研究课题【1 3 h 17 1 。而当今的集成电路技术及光电混合集成技术为其实现 提供了基础，使得光互连网络技术同益成熟，并且正在逐步走向实用化。现在的 北京邮电人学硕l j 生毕业论文 第一章绪论 高性能计算机均采用并行技术，利用多个处理器的并行计算来提高单处理器不可 能达到的性能，以突破每秒1 0 0 0 亿次1 0 0 0 0 亿次的计算速度。但是随着处理器 数目的增加，处理器之间的相互通讯变成并行计算的主要瓶颈，处理器之间的互 连技术是一个关键的硬件技术难题，传统的电互连技术遇到不可逾越的困难。而 光互连技术具有极高的通讯带宽、光波独立传播无干扰、互连数目大、互连密度 高以及功耗低等优点，可望取代传统的电互连技术而成为新一代的互连技术。二 十世纪8 0 年代，美苏冷战高潮刺激了全光数字计算机的研究与发展。在这期问， 光互连网络技术逐渐成熟起来，成为当今建立信息高速公路的基础之一。二十世 纪9 0 年代以来，美国、日本、英国等发达国家的光学互连通讯技术发展较快。其 中具有代表性的研究机构有：美国的a t tb e l l 实验室、i b m 公司、u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a 、s t a n f o r du n i v e r s i t y 、u n i v e r s i t yo f r i z o n a ( o p t i c a ls c i e n c e sc e n t e r ， w o r l dl a b ) 、u n i v e r s i t yo fs o u t hc a l i f o r n i a ( c e n t e rf o rp h o t o nt e c h n o l o g y ， n a t i o n a ll a b ) ，f t 本的n t t 公司、f u j i t s u 公司、h i t a c h i 公司，以及英国的 h e r i o t w a t tu n i v e r s i t y 等。戴姆勒克瑞斯勒( 德国) 研究中心正在开发基于光波 导的底板以联接飞机上的几台计算机或在用于电信系统的若干计算机之问传送 信号。垂直腔面发射激光器发射波导采用了聚合物材料，据说这比光纤更容易与 系统集成。p r i m a r i o n 公司j 下在着手开发在短距离内以1 0 g b s 速率传输信号的 波导光路系统，目的是使信号一直传送到处理器。电信号从电路板进入激光驱动 芯片，然后进入一个有1 2 个垂直腔面发射激光器组成的阵列。激光光束通过光纤 进入另一块电路板上的类似装置，由光电探测器及接收单元将信号转换回电信 号。近年来，r 本n t t 公司相继报导了c o s i n ei 型、c o s i n e i i 型、c o s i n e i i i 型高速光学互连网络系列。而美国a t & tb e l l 实验室相继报告了第一代和第二 代光学数字通讯交换网络实验系统。现在，a t & tb e l l 实验室对光互连网络的基 础性实验研究基本结束，已经开始研制大容量、高传输速率的自由空间光互连网 络实用系统。目前，美国i b m 公司和i n t e l 公司在光互连技术方面的研究工作处于 世界领先地位。 1 3 本论文的结构安排 基于光互连技术，选取了某公司生产的1 2 3 1 2 5 g b p s 高速并行光模块和中 科院微电子所自主研发的1 2 6 2 5 g b p s 高速并行光模块进行测试支撑板的设计 开发工作，主要工作包括： 1 ) 研究光互连网络体系结构及发展现状，明确光互连技术目前存在的问题 以及应用领域的范围： 2 ) 系统的学习高速数字系统及高速信号中信号完整性的问题； 4 北京邮电人学硕 ：生毕业论文第一章绪论 3 ) 使用三维电磁场仿真软件对高速差分线进行仿真，并单独研究一些可能 对高速信号产生影响的因素，以此来指导布线； 4 ) 搭建测试环境，测试光模块的各参数，根据实际结果返回修改设计，为 最终测试支撑板的性能奠定基础； 5 ) 对m e m s 在光互连中的应用进行相应的研究。 围绕以上工作，本论文以三维电磁场仿真软件，探讨了多种因素对高速差分 线产生的影响，并对m e m s 在光互连中的应用做了研究。论文具体的结构安排如 下： 第一章：介绍光互连的发展现状、本文研究背景及本文的内容与结构安排； 第二章：简介高速数字系统及信号完整性在其中的重要性以及高速p c b 设 计的关键规则； 第三章：研究了一些可能会对高速信号质量造成影响的参数并利用三维电 磁场仿真软件进行了仿真，根据仿真结果设计了1 2 3 1 2 5 g b p s 并行光模块和 1 2 x 6 2 5 g b p s 并行光模块的测试支撑板，并结合光模块进行了具体的性能测试， 测试性能满足传输要求； 第四章：对于应用在光互连中的m e m s 光交换阵列，研究了现有的几种大规 模结构，并提出了一种在光路中间增加微透镜从而缩小硅基片面积的方案，并以 现有的三种大规模m e m s 为实例，计算出在传统的c r o s s b a r 结构中，置入微透镜 后使得微反射镜比未置入微透镜的半径减小了7 1 ，硅基片面积缩小了7 7 8 ；在 s h u f f l e - b e n e s 结构中，置入微透镜后使得微反射镜比未置入微透镜的半径减小了 4 3 6 ，硅基片面积缩小了7 4 9 ；在s p a n k e - b e n e s 结构中，置入微透镜后使得微 反射镜比未置入微透镜的半径减小了4 1 3 ，硅基片面积缩小了7 9 ，提高了 m e m s 光交换阵列的性价比； 第五章：对本文所做的研究工作以及取得的成果进行了简明扼要的总结。 5 北京邮l 【1 人学硕1 ：生毕业论文 第一二章高速数：系统及p c b 设汁规则 第二章高速数字系统及p c b 设计规则 2 1 高速数字电路 对于高速电路，通常有两种定义：一种定义是当数字逻辑电路的频率达到或 者超过4 5 - 5 0 m h z ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一 定的分量，就称该电路为高速电路；另一种定义是如果信号线中传播延迟大于1 2 数字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，则 称这类电路为高速电路。此外，还有按传输线上信号的上升时间来对其进行定义 的，下面详细讨论这个定义方式。在讨论这个问题之前，先谈谈几个相关的参数。 “频宽”所代表的是一个信号所含的最高频率分量。当某个信号的频宽改变 时，它的上升时间也会随即发生变化。根据式( 2 1 ) 1 3 1 ，一个信号的频宽是和它内 含分量的最短上升时间成反比，它们之间差一个0 3 5 的常数。如果有一个前沿上 升时间为0 5 n s 的c m o s 方波，则表示其频宽高达7 0 0 m h z 。对于微处理系统的i c 封装接线，决定其所需频宽的是时钟脉冲信号的上升时间，而不是时钟脉冲信号 的频率。 频率= 0 3 5 上升时问 ( 1 1 ) “谐波”是另外一个重要的参数。一般而言，当分析l _ 个时钟脉冲信号的频 宽时，通常要预计至1 0 倍于基本频率的谐波。理论上电路系统的任何组件都有其 分布效应，亦即一条接线都可能有寄生电容的存在，这种分布效应与接线的导线 电感会形成谐振现象。如式( 2 2 ) p 】所示，假若时钟脉冲信号的高阶谐波临近电路 离散效应所形成的第一个谐振频率，轻则时钟脉冲信号的振铃现象逐渐显著，重 则导致系统遭受干扰而使得噪声容限变糟。因此，在设计阶段就应避免时钟脉冲 信号的第五阶以下的谐波临近到第一个有效的谐振频率，如式( 2 3 ) t 3 】所示。 z = l d r f f f - c( 1 2 ) f r2 形如 ( 1 3 ) 式中，n = 5 ，厶砖为时钟脉冲信号的基本频率；f r 为时钟脉冲信号的谐振频率。 基本上，没有单独一个参数能决定何时才算是进入高速数字的领域。在公式 ( 2 4 ) 【3 】中，定义了集总参数和离散模型的分界点： l 疋6( 1 4 ) 当信号的上升时间大于信号所流经的接线或者通路长度的6 倍时，就表示该 接线或者通路是处于集总模型，一旦信号的上升时间随着频率增加而变短时，信 号所流经的接线或者通路就会渐渐进入离散模型。 6 北京邮l 乜大学硕l ：生毕业论文第一二章高速数# 系统及p c b 设汁规则 l = 7 ：8 ( 1 5 ) 公式( 2 5 ) 口】中，l 代表开始进入离散模型的最短通路长度：瓦为流经通路信 号的上升时间；v p 为传播速率。由式( 2 5 ) 可知，通路长度、信号的上升时间和传 播速率都可以决定电路是否进入离散模型的环境。一般而言，在式( 2 5 ) w 的通路 长度l 越长越好，即代表电路越不容易进入离散模型，因为这代表必须流经相当 高频的信号电路才有可能进入离散模型。除此之外，信号的上升时间变短或者传 播速率变慢也都有可能让电路提早进入离散模型。因此应该从传播速率来改善。 下面看看传播速率与材料介电常数之间的关系： = c 厄r ( 1 6 ) 式中，c 为光速= 3 x 1 0 8 m s ，s ，为传播材料的介电常数。从式( 2 6 ) t 3 】可以看出信号 的传播速率与材料的介电常数平方根成反比，所以采用介电常数较小的材料电路 不容易进入离散模型。 印制电路板的传播延迟时间取决于电路材料的介电常数和通路的几何结构， 常见的f r 4 印制电路板材料的介电常数，在低频时其值为4 7 2 0 ，当进入高 频时介电常数会转变为4 5 1 5 】。通路的几何结构会影响电路板上电场的分布情形。 如果整个电力线都包覆于印制板罩面的话，则其有效的介电常数会变大，因为导 致传播速率变慢。对于典型的f r - 4 1 ；i - j $ 0 电路板材料来说，如果一个电路通路上的 电场及电力线的分布只存在于上下两个接地层中间( 即带状线结构) ，其所产生的 有效介电常数为4 5 至于位于印制电路板外的通路，以为所形成的电场一端是在 空气中，另一端在电路板材料里面，以典型的f r 4 印制电路板而言，其所产生的 有效介电常数在1 4 5 之间，因此p c b 外层通路的传播速率比内层通路要快。因 此可以得出以下结论：电子材料的介电常数、传播路径的长度、信号的上升时间 以及传播速率都能决定电路的电性等效模型。 如式( 2 4 ) 所示，如果信号在信号线中传播延迟大于l 6 数字信号驱动端的上升 时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应。 2 2 信号完整性的定义 随着数据速率的不断提高，信号完整性问题已经成为设计工程师要考虑的最 关键因素。这种呈指数式的数据速率上升可以从手持移动设备和消费类显示产品 到高带宽路由器、交换机等应用中看到。抖动( 噪声) 是降低设计中信号完整性水 平的首要原因。除了利用布线、阻抗匹配和更昂贵的材料实现信号完整性增强技 术之外，设计师还可以简单地在设计中增加诸如均衡器这样的抖动消除器来解决 抖动问题。这样设计师就不用专注于信号完整性问题，而把主要精力放在系统的 7 北京i l t g l t l 人学硕f ：生毕业论文 第一二章高速数系统及p c b 设计规则 核心设计上。信号布线在以前通常被看作是一种简单的概念，从布线角度看，视 频信号、语音信号或数据信号之间没有什么区别。因此过去很少有人关。t l , 信号布 线问题。然而，现在情况有了完全的改变。视频信号传输速度目前已经达到每个 通道3 3 g b p s ，数据信号更是远超过每通道5 g b p s 。高速串行标准类似p c ie x p r e s s 、 x a u i 、s a t a 、t m d s 和d i s p l a yp o r t 等，要求设计者不仅要考虑信号完整性问题， 而且要对它将如何影响系统的性能和可靠性有深刻的理解。为了掌握这方面的知 识，首先必须懂得在系统中影响信号完整性的因素是什么。通过增加信号抖动可 以观察到系统中出现的信号完整性损失。系统的总抖动主要由两类抖动组成，分 别是随机性抖动和确定性抖动。随机性抖动是无限并在本质上服从高斯分布的， 而确定性抖动是有限并可预测的。在9 0 的系统中，确定性抖动是设计工程师必 须解决的主要的信号完整性问题。确定性抖动包含码间干扰( i s i ) 、占空比失真和 周期性抖动，它们分别是由带宽限制问题、时钟周期的不对称以及交叉耦合或 e m i 问题引起的。诸如连接器等无源器件、p c b 走线、长线缆以及沿着走线布放 的其它无源器件是引起确定性抖动的最主要来源。信号频率越高，衰减越大，因 此会造成指定数据流中的功率电平失配，而这种功率电平失配又会导致信号中发 生i s i 。i s i 将降低信号完整性，这足以阻止接收器在接收端从信号中f 确提取任 何真实的数据1 6 j 。 尽管信号完整性一直以来都是硬件工程师必备的设计经验中的一项，但是在 数字电路设计中长期被忽略。在低速逻辑电路设计时代，由于信号完整性相关的 问题很少出现，因此对信号完整性的考虑本认为是浪费效率。然而近几年随着时 钟率和上升时间的增长，信号完整性分析的必要性也越来越受到重视。不幸的是， 大多数设计者并没有注意到，仍然在设计中很少去考虑信号完整性的问题。现代 数字电路可以高达g h z 频率并且上升时间在5 0 p s 以内。在这样的速率下，在p c b 设计走线上的疏忽即使是一英尺，而由此造成的电压、时延和接口问题将不仅仅 局限在这一根线上，还将会影响的全板及相邻的板。这个问题在混合电路中尤为 严重。对于在设计的早期意识到可能潜在的问题是很关键的，同时可以有效避免 由此在后期造成的问题。 在高速p c b 系统设计方面信号完整性问题主要体现为【7 】工作频率的提高 和信号上升下降时间的缩短，会使系统的时序裕量减小，甚至出现时序方面的 问题；传输线效应导致信号在传输过程中的噪声容限、单调性甚至逻辑错误；信 号问的串扰随着信号沿的时间减少而加剧；以及当信号沿的时间接近0 5 n s 及以 下时，对电源系统的稳定性和电磁干扰问题。 大规模、超大规模集成电路越来越多地应用到电路系统中，芯片的集成规模 越来越大，体积越来越小，引脚数越来越多，速率越来越高。由此可见，在当今 北京邮电大学硕 ：生毕业论文 第 二章高速数，系统及p c b 设计规则 快速发展的电子设计领域，有i c 芯片构成的电子系统证朝着大规模、小体积、高 速率的方向飞速发展，而且发展速率越来越快，这样就带来了一个问题，即电子 设汁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不断提 高，从而使得如何处理高速信号问题成为了一个设计能否成功的关键因素。 信号完整性主要讨论的是信号沿导线传输后的质量问题和时序问题。随着高 速电路的迅速发展，信号完整性问题变得越来越突出，越来越引起人们的关注。 在高速系统中，一段导线不仅是导体，还成为了具有分布参数的传输线。能否处 理好系统的信号互连( p c b 布线) 和解决信号完整性问题，是系统设计成功的关 键。同时，信号完整性也是解决电源完整性、电磁兼容( e m c ) 的基础和前提， 三者之间有着紧密的联系，通常需要解决的信号完整性问题包括p j ： 反射：由阻抗不匹配引起； 串扰：由相邻信号耦合产生。当信号边缘速率低于1 n s 时，串扰问题就 不可避免，甚至会引起高频谐振； 过冲和下冲：来源于走线过长或者信号变化太快两方面的原因； 振铃：表现为信号反复振荡，可以通过适当的端接来抑制； 地平面反射噪声与同时丌关噪声：对于高速器件，大量数据总线信号快 速翻转，通过地回路的电流变化导致非理想的地平面； 电源分配：对于高速电路来说，控制好电源和地平面的阻抗是系统设计 的关键； 时序问题：对于高速设计，信号的传播时延、时钟偏移和抖动等因素足 以导致系统无法正确判断数据； e m i 问题：e m i 包含电磁辐射和抗干扰性两个方面的问题。解决p c b 设 计中的e m i 问题是系统e m i 控制中最为重要的环节，成本最低。 信号完整性是指信号在信号线上的质量。信号具有良好的信号完整性是指当 在需要的时候，具有所必须达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一单 一因素导致的，而是指由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、振荡、地弹和串扰等。从广义上讲，信号完整性指的是在高速电路 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、电流波形的 相互作用时，其电气特性参数如何影响产品的性能。信号完整性的噪声问题按噪 声源可以分为以下四种类型【8 】：单一网络的信号质量：由于信号路径或返回 路径上阻抗突变而引起的反射与失真；多网络的串扰：非理想回路之间耦合 的互电容或互电感带来的影响；电源分配系统中的轨道塌陷：在电源和地网 络中的阻抗压降；e m i ：来自元件或系统的电磁干扰和辐射。这些问题在所 有的互连线中都起作用，d , n 芯片中的连线，大到板级连接电缆和任何位置间的 9 2 1 【9 】显示出在一个 当信号线间的问 缩的布线空间和狭窄的信号线i 日j 距；由于在设计中没有更多的选择，从而不可避 免的在设计中引入一些串扰问题。显然，p c b 设计者需要一定的管理串扰问题 的能力。这些年出了许多可靠间距的相关规则。而一个通常业界认可的规则是 3 w 规则，即相邻信号线间距至少应为信号线宽度的3 倍。然而，实际中可接受 的信号线间距依赖于实际的应用、工作环境及设计冗余等因素。信号线间距从一 种情况转变成另一种以及每次的计算。因此，当串扰问题不可避免时，就应该对 串扰定量化。这都可以通过计算机仿真技术表示。利用仿真器，设计者可以决 定信号完整性效果和评估系统的串扰影响效果。 2 2 2电源退耦 电源退耦是现在数字电路设计中标准惯例，在此提及将有助于减少电源线上 噪声问题。一个干净的电源对设计一个高性能电路至关重要。迭加在电源上的高 频噪声将会对相邻的每个数字设备都会带来问题。典型的噪声来源于地弹、信号 辐射或者数字器件自身。最简单的解决电源噪声方式是利用电容对地上的高频噪 声退耦。理想的退耦电容为高频噪声提供了一条对地的低阻通路，从而清除了电 源噪声。图2 1 【9 】是电源退偶理想情况和实际情况的对比。依据实际应用选择退 1 0 北京邮f 乜人学硕 ：生毕业论文 第_ 二章高速数系统及p c b 设计规则 耦电容，大多数的设计者会选择表贴电容在尽可能靠近电源引脚，而容值应大到 足够为可预见的电源噪声提供条低阻对地通路。采用退耦电容通常会遇到的问 题是不能将退耦电容简单的当成电容。有以下几种情况： 1 ) 电容的封装会导致寄生电感； 2 ) 电容会带来一些等效电阻； 3 ) 在电源引脚和退耦电容间的导线会带来一些等效电感； 4 ) 在地引脚和地平面问的导线会带来一些等效电感； 5 ) 电容将会对特定的频率引发共振效应和由其产生的网络阻抗对相邻频段 的信号造成更大的影响； 6 ) 等效电阻( e s r ) 还将影响对高速噪声退耦所形成的低阻通路； l c 理想 ”饼 c 图2 - 2 电源退耦 实际 l 口 1 ； t“ # 缪 多 - - “t 。- - e “。 以下是在设计电源退耦方面的一些注意事项【lo 】： 1 ) 从器件上v c c 和g n d 引脚引出的引线需要被当作小的电感。因此在设 计中尽可能使v e t 和g n d 的引线短而粗； 2 ) 选择低e s r 效应的电容，这有助于提高对电源的退耦； 3 ) 选择小封装电容器件将会减少封装电感。改换更小封装的器件将导致温 度特性的变化。因此在选择一个小封装电容后，需要调整设计中器件的 布局。在设计中，用y 5 v 型号的电容替换x 7 r 型号的电容器件，可保 证更小的封装和更低的等效电感，但同时也会为保证高的温度特性花费 更多的器件成本。在设计中还应考虑用大容量电容对低频噪声的退耦。 采用分离的电解电容和钽电容可以很好的提高器件的性价比。 2 2 3 阻抗匹配 阻抗控制和终端匹配是高速电路设计中的基本问题。通常每个电路设计中射 频电路均被认为是最重要的部分，然而一些比射频更高频率的数字电路设计反而 北京邮电人学硕。l ：生毕业论文 第_ 二章高速数系统及p c b 设计规则 忽视了阻抗和终端匹配。由于阻抗失配产生的几种对数字电路致命的影响，参见 图2 - 3 9 】： 1 ) 数字信号将会在接收设备输入端和发射设备的输出端问造成反射。反射 信号被弹回并且沿着线的两端传播直到最后被完全吸收： 2 ) 反射信号造成信号在通过传输线的响铃效应，响铃将影响电压和信号时 延和信号的完全恶化； 3 ) 失配信号路径可能导致信号对环境的辐射。 阻抗匹配 阳抗不匹