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硕士论文 高速互连设计中的信号完整性分析 摘要 随着高速数字电路和高集成度芯片技术的飞快发展，导致电路中的信号完整性问题 日益突出，这些问题给系统硬件设计带来了更大的挑战。高速互连系统的设计必然要面 对反射、串扰、误触发、阻尼振荡以及互连延迟引起的时序等信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y ， 简称s i ) l h - 题。因此在高速互连系统设计中能否处理好系统的信号互连，解决信号完整 性问题，是系统设计成功的关键。从而使得对高速互连结构进行快速、准确、有效的建 模和仿真分析变得极为重要。 本文主要对高速互连设计中的信号完整性问题作了理论研究与实际的仿真分析。首 先在阐述传输线理论的基础上，详细分析了反射和串扰形成的机理，同时也通过仿真， 分析互连参数变化对串扰的影响，总结出减小串扰的措施。其次对差分互连线的传输特 性进行详细的理论分析，并对其信号完整性性能进行了仿真分析。然后结合三维全波电 磁仿真软件及高频电路仿真软件分别在频域和时域上对高速互连设计中单端及差分不 连续的情况，如走线拐弯、过孔及不完整地平面的信号完整性性能进行了详细的研究， 总结高速单端及差分互连的不连续性的信号传输特性，为高速互连的不连续性提供优化 设计准则。最后讨论了高速互连系统中常见的公共时钟同步和源同步电路时序分析方 法，推导出各自所满足的时序方程。并结合一嵌入式系统的设计实例，对其关键网络进 行了时序的仿真分析，验证了时序约束条件。 关键词：高速互连设计，信号完整性，传输线，不连续性，时序 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dd i g i t a l c i r c u i ta n dh i g h 。i n t e g r a t e dc h i p t e c h n o l o g y , s i g n a li n t e g r i t yi s s u e s b e c o m ei n c r e a s i n g l ym o r ea n dm o r es e l l o u s t h e s e p r o b l c m sh a v eb r o u g h tg r e a tc h a l l e n g e s t ot h ed e s i g no fs y s t e mh a r d w a r e h i g h s p e e d i n t e r c o n n e c ts y s t e md e s i g nh a v et o f a c er e f l e c t i o n ，c r o s s t a l k ，f a l s et r i g g e r , d a m p i n g o s c i l l a t i o n a sw e l la sp r o p a g a t i o nd e l a ya n do t h e rs i g n a li n t e g r i t yi s s u e s t h e s u c c e s st ot h e h i g h s p e e di n t e r c o n n c e t i o ns y s t e md e s i g nl i e so nw h e t h e rw e c a nc o p ew e l lw i t ht h es l g n a j i n t e g r i t yi s s u e sc a u s e db yh i g h 。s p e e ds i g n a li n t e r c o n n e c t s s oi t i se x t r e m e l yi m p o r t a n tt h a t t h es t r u c t u r eo fh i g h s p e e di n t e r c o n n e c t i sm o d e l e da n ds i m u l a t e df a s t ，a c c u r a t e l ya n d e f j f i c i e n t l y t h i sp a p e rh a sm a d eat h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dp r a c t i c a ls i m u l a t i o nt oh i g h 。s p e e d i n t e r c o n n e c td e s i g nf o rt h es i g n a li n t e g r i t yi s s u e s f i r s t l y b a s i n go nt h ee x p l a n a t i o no ft h et r a n s m i s s i o n l i n em o d e l ，t h ef o r m a t i o no t r e f l e c f i o na n dc r o s s t a l km e c h a n i s ma r ea n a l y z e di nd e t a i l a n di n t e r c o n n e c tp a r a m e t e r s t o d i s t u r bt h el e v e lo fc r o s s t a l kv o l t a g ea r cc o m p a r e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h i s p a p e rd r a wt h eb e s ts o l u t i o ni no r d e rt oo p t i m i z et h ed e s i g no b j e c t a n dt h e n i tc o n d u c t e da d e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i st oc h a r a c t e r i s t i c so ft h e d i f f e r e n t i a lt r a n s m i s s i o nl i n ea n d s i m u l a t e ds i g n a li n t e g r i t yp e r f o r m a n c e s e c o n d l y , v a r i o u sd i s c o n t i n u i t i e si nh i g h s p e e di n t e r c o n n e c t sh a v eb e e na n a l y z e d a i l d s i m u l a t e do ns i g n a li n t e g r i t y , s u c ha s ： c o m e r , v i a , a n di m p e r f e c tr e f e r e n c ep l a n e s t h e a n a l v s i si s m a i n l yb a s e d o nt h ec o m b i n a t i o no f3 df u l l - w a v ee l e c t r o m a g n e t i c a n d h i g h f r e q u e n c yc i r c u i ts i m u l a t i o ni nf r e q u e n c ya n dt i m ed o m a i n t h e r e f o r e a l lk i n d so f o p e r a t i o n b e h a v i o ra r eu n d e r s t o o dw h i c hh i g h - s p e e ds i g n a lp r o p a g a t i o n a l o n g t h e d i s c o n t i n u i t i e si n s i n g l e e n d e da n dd i f f e r e n t i a li n t e r c o n n e c t s s ow ec o u l dd r a ws o m e c o n c l u s i o n sw h i c hc a nr e d u c es ii s s u e st h r o u g hs i m u l a t i o na n da n a l y s i s f i n a l l y , i ts t u d i e dt h eb a s i ct i m i n ge q u a t i o nf o rc o m m o n - c l o c ka n ds y n c h r o n o u s 阱c u l t a r c h i t e c t u r ei nt h eh i g h s p e e di n t e r c o n n e c ts y s t e m a tt h es a m et i m e ，i ta l s oc o m b i n e d w i t ha d e s i g no fe m b e d e ds y s t e mt om a k eas i m u l a t i n g t h ec o n s t r a i n t sc o n d i t i o no nt i m i n g a n a l y s i so nt h ek e yn e t w o r kp a r t ，t ov e r i f y k e yw o r d s ：h i g h 。s p e e di n t e r c o n n e c t i o n ，s i ，t r a n s m i s s i o nl i n e ，d i s c o n t i n u i t y , t i m i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名o 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 幻哆年月两日 硕士论文高速互连设计中的信号完整性分析 1 绪论 1 1 课题背景及意义 随着电子科技的快速发展，高速互连设计在整个电子设计领域中所占的比例越来越 大。从i c 芯片的封装形式来看，芯片的体积越来越小、引脚数越来越多。同时，i c 工 艺的发展，使其速度越来越快。因此，电子设计领域由i c 芯片构成的电子系统的发展 方向是大规模、小体积、高速度。这就对设计者提出了更高的要求，使其在更高的频率、 更小的空间进行电路设计。而正确处理高速信号问题成为电子系统设计成功的重要因 素。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更加严重。高频( 频率超 过5 0 m h z ) 必, 须采用传输线理论来研究互连关系，而且在评定系统性能时也必须考虑印 制电路板材料的电参数。 互连和封装效应随着工作速度的不断提高，逐渐从印制电路板( p r i n tc i r c u i tb o a r d ， 简称p c b ) 和多芯片组件( m u l t i c h i pm o d e l ，简称m c m ) 最后向芯片内部延伸，使得在芯 片范围内的互连线效应也日益明显。互连和封装结构对高速系统电特性的影响归结为信 号完整性问题。所谓信号的完整性问题，是指高速电路系统所传输的信号，由于互连线 的传输线效应、封装结构的电磁噪声及电路寄生参数等影响，而产生的信号波形畸变、 时间延迟与幅度衰减。因此信号完整性问题是现代高速系统设计中必须解决的重要问 题。通常广义上信号完整性问题大致分为以下几种类型【l - 2 】： ( 1 ) 单网络的信号质量：在信号传输路径上由于传输线、过孔、参考平面不连续以 及其它互连造成阻抗突变而引起的反射与失真。 ( 2 ) 多网络间的串扰：因理想回路与非理想回路的电容耦合和电感耦合产生的。串 扰的强度与器件及走线的几何尺寸、相互距离、参考平面等多种因素有关。 ( 3 ) 电源分配系统中的电源和地线噪声：由于芯片与电源网络间存在寄生电感和电 阻，当大量芯片内的电路和输出级同时工作时，会产生较大的瞬态电流，导致 电源网络和地网络的电压波动和变化。 ( 4 ) 元件与系统间的电磁干扰。 ( 5 ) 时序：信号在p c b 印制线上是以有限的速度进行传输的。信号从发送端传播到 接收端需要一定的时间，这段时间就是传输线时延。当传输线过长时，信号时 延会对系统时序产生影响。在高速数字系统中，传输线的时延取决于介质材料 的介电常数、传输线长度和传输线横截面的几何结构。 在当前高速电路系统日渐向高速、大规模、组件化方向发展，以适应信息系统多功 能的要求，信号完整性问题变得日益突出。因此，在新生代的高速系统设计中，必须考 虑到互连、封装效应对高速系统的影响，并应采用相应的措施抑制它，保证系统的信号 l 1 绪论 硕士论文 完整性。基于信号完整性分析的高速电路系统设计方法一方面有效地提高了产品的性 能，另一方面也缩短了产品的开发周期，从而减低开发成本。此分析方法在高速数字系 统设计中得到了广泛的应用。 1 2 研究现状及发展趋势 高速互连系统设计必须面对的信号完整性问题是目前国际上尚未很好解决的难题， 超宽频的快变信号，加上纵横交错的超细微互连封装构成一个复杂的电磁场问题，给其 分析带来了很大的困难。尤其对复杂的不均匀、不连续、三维立体互连等复杂的互连结 构更缺乏广泛深入的研究。这一领域的研究并不成熟，虽然在国内外已有相关的理论书 籍和相关的仿真软件和建模方法，但由于其分析方法和实践还没有很好的定义，还处于 不断的探索阶段。一般是以麦克斯韦电磁场理论和传输线理论作为研究高速数字电路设 计的信号完整性的理论基础。而对高速数字电路设计中的信号完整性进行有效的仿真分 析，关键是建立正确的仿真模型和选择合适的仿真软件。如i b i s ( i n p u t o u t p u tb u f f e r i n f o r m a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 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 品质的保证需要高昂的成本，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，要么仿真精确度不够，要么耗费大量的资 源。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。 随着p c b 系统布线密度的增大及电路中导线结构的日趋复杂，使得电路分析由一 维、二维发展到三维结构。对超高速的复杂系统而言，有时采用单纯电路分析方法解决 问题就存在一定难度，也缺乏精确度。而如今高性能、大容量的计算机系统使得可以用 电磁场直接仿真方法，但会耗用大量的计算机资源。结合两者的特性，可以通过对互连 及封装系统进行电磁建模和参数提取，再在此基础上进行电路分析，即可对电路系统的 信号完整性做出较为精确的估算。目前，很多工程常采用这种“场”“路 结合的方法【3 】。 目前电磁场数值计算方法很多，大致可以分为微分方程法、积分方程法和其它方法。 微分方程法包括( 1 ) 有限元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) h j ，( 2 ) 有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n t i a lm e t h o d ，f d m ) 5 1 ，( 3 ) 时域有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n tt i m e d o m m n ，f d t d ) 旧j ， 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。 由于采用网格划分的方法，差分方程法对结构适应性很强，在复杂结构的计算中得到了 越来越多地应用。采用这些方法的商用软件发展也很迅速，广泛应用于微波领域。积分 方程法主要包括矩量法( m e t h o do fm o m e n t s ，m o m ) t7 1 ，边界元法( b o u n d a r ye l e m e n t m e t h o d ，b m e ) 8 1 。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，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 2 硕士论文 高速互连设计中的信号完整性分析 常困难，使其应用有一定的局限性。其它的分析方法包括部分元等效电路法( p a r t i a l e l e m e n te q u i v a l e n tc i r c u i t ，p e e c ) 一j 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。综上 所述，微分方程法和积分方程法在互连参数提取中各有优缺点，适用于不同的应用面。 这些方法都使得电磁场计算在速度和精度上不断得到改进。近年来在信号完整性的电磁 数值分析方法中，f d t d 受到广泛的重视，但缺点是耗用计算机资源大，但随着计算机 性能的提高和计算机并行算法及其改进算法的发展，上述问题也正在得到不断的解决。 目前，在e d a 工具领域，针对各种信号完整性问题的s i 设计工具很多。所有s i 仿真基本上都包括反射、串扰、地弹、电磁干扰等在内的大部分信号完整性问题，然而 各种工具侧重点不同，有的从三维场角度来求解，有的基于传输线的建模来完成信号完 整性分析。工具市场上一些主要的s i 仿真工具如表1 1 所列。 表1 1 目前较流行的s i 软件 公司软件用途 h f s s 高频几何结构的s 参数和辐射仿真 a n s o f t p c b 朋c ms i g n a l1 1 1 e 鲥哆 s i3 d c s tc s tm i c r o 谬 ，es t u d i o r e m c o mx f d t d a g l i e n t a d s c a d e n c e s p e c c t r a q u e s t p a d s h y p e r l y n x s y n o p s i s h s p i c e p c b m c m 顸布线与布线后的s 1 分析 3 d 静态直流的电磁场仿真，提取电阻、电 容、电感参数 高频电磁仿真 高频电磁仿真 t d r 的时域反射仿真 板级s i 仿真 板级s i 和电磁兼容仿真 s p i c e 模型的仿真 1 3 本文的研究内容及章节安排 当今高速数字设计越来越普遍，信号完整性的问题也受到了广泛的关注。本文通过 “场”“路”结合的方法对高速互连设计中的信号完整性问题进行分析。采用传输线理 论分析了反射、串扰、差分对现象。分析了高速p c b 上常见的不连续结构，如走线弯 曲、过孔、分割槽等对信号传输特性的影响，总结防治措施。由互连效应引起的时序问 题也越来越严重，需要进行精确的时序计算及分析。因此，根据上述的研究内容，本文 的主要章节安排如下： 第1 章：绪论。本章主要介绍了课题背景、研究意义以及目前的研究现状和未来的 发展趋势，最后给出了本文的主要研究工作。 第2 章：基于s 1 分析的高速互连设计方法。本章阐述了高速互连系统设计的s 1 分析法。 简要介绍了基于信号完整性的高速p c b 设计方法和高速互连仿真模型，并简述了s i “场” “路 分析法及优点，最后引入了微波网络s 参数与混合s 参数理论。 3 i 绪论硕士论文 第3 章：信号完整性的基本问题分析。以高速数字系统中的传输线理论为基础，重 点讨论互连线的反射、串扰的发生机理，并利用h y p e r l y n x 软件对给定电路模型进行仿 真，给出了互连参数变化对串扰影响的仿真波形，最后总结出一些减小串扰的措施。详 细探讨了差分线的传输特性，通过理论分析及频域和时域的仿真，得出相应的结论。 第4 章：高速互连不连续性对信号完整性的影响。本章利用“场 “路 结合的方 法，分别对三种典型的互连不连续情况：走线弯曲、过孔和参考平面开槽进行信号完整 性的仿真分析。首先在a n s o i l 公司三维全波电磁仿真软件h f s s 中对三种情况进行建 模仿真，通过分析s 参数研究其传输特性，然后将s 参数导入高频电路设计软件d e s i g n e r 中进行时域的分析。通过以上分析，总结掌握高速单端互连不连续结构在高速信号传输 中对信号完整性的影响，同时了解差分互连不连续性在传输高速信号时各种工作模式的 特性，以此为高速互连的不连续性设计提供参考。 第5 章：高速互连设计中的时序分析。本章重点对公共时钟时序和源同步时钟时序 进行详细的分析，推导出数据建立时间及数据保持时间。最后通过一嵌入式系统关键网 络的时序的仿真和计算来验证时序的约束关系，从而指导实际的布线布局。 第6 章：结论与展望。 4 硕士论文高速互连设计中的信号完整性分析 2 基于s 1 分析的高速互连设计方法 2 1 现代高速p c b 设计方法 基于信号完整性分析的现代高速p c b 设计方法，是在传统的p c b 设计方法的基础 上，加入信号完整性分析的环节。s 1 分析贯穿整个设计流程，其中最为关键的部分是元 器件模型的建立，模型的精确度决定设计的正确性。如图2 1 所示为信号完整性在p c b 设计中的作用1 0 1 。 图2 1 基于信号完整性的高速p c b 设计流程 s 1 分析通常分为两个阶段：p c b 布线前和布线后的仿真分析。布线前的仿真是对考 虑到的方案进行仿真，仿真得到的约束条件作为实际布线的约束，可以较早地预测和消 除信号完整性问题。而布线后的仿真分析是建立在实际的布线条件下，而非估计的数据 和模型，因此有着更精确的仿真结果，可验证实际布板方案的正确性，并以此作为修正 模型的依据。 采用这套设计方法，缩短了产品设计周期并降低了成本，所以在高速互连系统设计 中，信号完整性问题的分析成为关键。 5 2 基于s 1 分析的高速互连设计方法 硕士论文 2 2 高速互连仿真模型 要对高速互连进行有效的信号完整性分析，首先要建立正确的仿真模型，模型的正 确性将决定设计的正确性，而模型的可建立性则决定设计方法的可行性。因此必须保证 元器件的模型参数能够准确反映实际工作环境。目前有多种用于高速系统信号完整性分 析的模型。下面简要介绍几种常用的模型。 ( 1 ) 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 ) 是一种功能强大的通 用模拟电路仿真器。最初主要用于验证集成电路中的电路设计，以预测电路的性能。比 较常见的s p i c e 软件有h s p i c e 和p s p i c e 。h s p i c e 精度高、仿真功能强大，主要应 用于集成电路设计，p s p i c e 主要应用于p c b 板级和系统级的设计。s p i c e 模型主要有 模型方程式和模型参数两部分组成。它是建立在电路基本元器件的工作机理和物理细节 上的，是一个根据原理图中各元件的连接关系创建的网表文件。该网表由一系列子电路 组成，用户通过调用相关的子电路模块就可以简单地建立模拟网表。利用s p i c e 模型可 以精确在电路器件一级，仿真系统的工作特性、验证系统的逻辑功能，因此在集成电路 设计中得到了广泛的应用。但s p i c e 模型因涉及设计者和制作商的知识产权和机密，只 有少数集成电路厂商提供芯片的s p i c e 模型，又限制了其广泛应用。 ( 2 ) i b i s ( 缓冲器输入输出信息说明) 模型是一种定义i ob u f f e r 的u i 和u t 响应 的一种模型。i b i s 模型并非从仿真元件的结构出发进行定义，而是从元件的行为出发进 行的定义，属于一种行为模型。它描述了器件在特定负载、封装下的输入输出行为， 并不是实际的电气组成。i b i s 模型主要用于板级的系统仿真，有助于设计者在高速设计 规则约束下的设计中获取精确的信息，以进行准确的分析和计算。由于i b i s 模型不涉 及芯片内部的结构信息，因此获得了众厂商的支持。现在主要的数字i c 制作商都能够 在提供芯片的同时提供相应的i b i s 模型。在实际应用中，i b i s 模型也可通过实际的测 量得到。 f 3 ) v e r i l o g a m s v h d l a m s 是一种用来设计模拟和混合信号行为的建模语言，主 要用于数模的协同仿真。作为硬件行为级的建模语言，v e r i l o g a m s 和v h d l a m s 分 别是v e r i l o g 和v h d l 的超集。在v e r i l o g - a m s 的模型中可以封装、描述高层行为级以 及低层系统和元器件结构级的模块，并且可以是电气特性的，也可以是非电气特性的。 与i b i s 和s p i c e 模型不同的是，在v e r i l o g a m s 中是由用户来编写描述元器件行为的 方程式。a m s 建模语言是独立的模型格式，可以应用在多种不同类型的仿真工具中。 目前，这个新标准还未得到半导体厂商的广泛应用，但a m s 模型在p c b 板级信号完整 性分析的可行性和计算精度决定其发展趋势将越来越好。 无论是s p i c e 、i b i s 还是v e r i l o g - a m s v h d l - a m s 模型，模型的质量都会严重影 响仿真精度。因此在实际工作中必须坚持使用最新的、精确的、已通过验证的模型。 6 硕士论文高速互连设计中的信号完整性分析 2 3 高速互连s i 的“场“路”结合分析方法 低速情况下，用集总r l 或r l c 电路模拟互连的方法在s p i c e 等仿真器中得到广 泛的应用。随着工作频率的增大，边沿的时间减小到1 1 s 量级时，系统中的波特性也变 得十分明显，此时其互连线必须应用l 、c 、r 分布参数模型，系统的电特性分析将和 电磁场分析密切相关。 “场 路 分析方法是首先以电磁场的方法提取等效电路元件参数，包括集中参 数l 、c 、r 、g ，分布电感、电容、电阻和电导、传输线特性阻抗、传播常数、衰减常 数等。进而在等效电路及所提取参数的基础上用路的方法进行稳态或瞬态的分析。场的 算法虽精确但会消耗大量的计算机资源，而路的算法虽然对计算机的性能要求较低，但 计算结果往往不够精确。“场“路 结合的分析方法，在精确度及计算机资源消耗上达 到相对的折衷。 此方法的优点如下【3 】： ( 1 ) 电磁场分析只是整体分析的一部分，电磁场方法仅用以提取参数，可以应用静 场方法进行近似的电磁建模和参数提取，计算规模相对较小，即使用全波参数 提取方法进行电磁建模和参数提取，也比电磁场直接模拟计算规模小得多。 ( 2 ) 可应用结构的类似性大大扩展所处理系统的规模。在系统中必然存在数目可观 的部件，对其相同的结构，参数一经提取，可重复使用，但对器件尺寸不同的， 可根据其类似性，也可用同一类型的解析公式或计算软件进行参数的提取。 ( 3 ) 在利用电磁场方法提取参数后，转为电路分析问题时可以利用多种电路方法对 系统进行分析。 ( 4 ) 如果对整个电路系统做电磁场模拟，由于器件内部的机理不能完全用电磁理论 进行描述而有困难，但对于各种器件，根据器件物理特性完全可得出器件外接 口的伏安特性。如果在系统中的无源部分通过参数提取转化为电路问题，那么 整个系统同样可采取电路分析方法。 2 4 微波网络及其s 参数 2 4 1 散射参数理论 对高速互连进行全波电磁仿真分析之后，通常提取出互连结构的网络参数或等效电 路模型，应用微波网络理论将电磁场分析转化为电路分析，对其进行频域和时域分析。 表征网络特性的参量可分为两类：一类是反映网络参考面上电压和电流之间关系的参 量，如阻抗参量z ，导纳参量y ，转移参量a ，主要用于集总电路。另一类是反映网络 参考面上入射波电压与反射波电压之间关系的参量，如散射参量s ，主要用于分布参数 电路。高速的微波领域，必须用分布参数模型来分析，因此s 参数在微波网络中得到广 7 2 基于s 1 分析的高速互连设计方法硕士论文 泛的应用。在高速互连中，单根的传输线，可以等效为二端口网络，如图2 2 所示。 端口1 二端口 微波网络 一一一 端口2 图2 2 二端口微波网络 二端口网络s 参数的定义可由归一化反射波包( 扛1 , 2 ) 与归一化入射波a t ( f = 1 ，2 ) 之 间的关系式给出【1 1 】： ， | ： ：陵地 亿4 m 式中，s 参数矩阵的对角线元素s ”s ：为反射参数( 相对应的其它端口匹配时) ，也就是 回波损耗。s ：。、s 。：表示从一端口到另一端口的传输系数，相对于插损和群延时。 如果微波网络为互易网络，s 参数有以下特性： s q = si t 如果微波网络是对称网络，则各端口的反射系数必须相等，即： s h = sq 由此可见，用散射参量来表示网络的电压反射系数和传输系数是非常方便的。 2 4 2 混合模s 参数理论 在高速系统中普遍采用的低压差分信号线对( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l ，l v d s ) 作为高速数据传输线，因而对差分电路性能的精确测量分析成为重要的问题。差分对传 输线也可以利用单端模式下s 参数来描述。但差分电路有其特殊性，它除了包含差模、 共模外还有差共模的转换响应，这里引入基于差共模两种工作模式传播特性的混合模 ( m i x e dm o d e ) s 参数。在高速互连设计中差分互连线可等效为混合模s 参数二端口网络， 如图2 3 所示。 8 端口1 图2 3 差分二端口微波网络 端口2 硕士论文高速互连设计中的信号完整性分析 、a 翻、k 分别是差模归一化入射波、差模归一化反射波、共模归一化入 射波、共模归一化反射波。 s 砂矿= - & 输出模式) ( 输入模式) ( 输出端口) ( 输入端口) ( 2 4 2 ) 混合模s 参数定义如下 1 2 】： t t t z ! s 删 s 削2 l 吼d 2 2 ：s 出2 l 如1 1 1 2 ：l l 如2 1 2 2 ：2 1 ( 2 4 3 ) 这里s 肭，是差模s 参数，代表所有平衡式端口上差模的反射与入射参数；s 蒯是共 模s 参数，代表所有平衡式端口上共模的反射与入射参数；s 柑，是共模到差模的转换， 代表所有平衡式端口上共模输入在平衡式端口上差模输出的入射与反射参数；s 商；是差 模到共模的转换，代表所有平衡式端口上差模输入在平衡式端口上共模输出的入射与反 射参数，这样的转化是不可避免的，因为当差分电路不平衡或失配时就会发生模式之间 的转换。模式转换参数的存在会降低系统的信噪 = l ( s i g n a ln o i s er a t i o ，s n r ) ；对高速数 字电路来说，会增加系统的比特误码率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) ，导致电磁干扰。 2 5 本章小结 本章介绍了基于信号完整性分析的高速p c b 设计方法，并分析了其适合现代高速 电路设计的优点；其次给出了三种高速互连信号完整性分析模型，接着介绍了本文采用 的高速互连设计信号完整性的“场”“路”结合的分析方法，最后对微波网络分析，介 绍了s 参数与混合模s 参数理论。 9 l 2 l 2 黝即鼬船 住 勉一 n 龆 3 信号完整性的基本问题分析 硕士论文 3 信号完整性的基本问题分析 3 1 理想传输线理论 3 1 1 传输线模型及参数 传输线理论实际上是分布参数的电路理论，它将电路理论和电磁场理论相结合，具 有重要的使用价值。当低频信号流过有限长的导线时，波长远大于导线长度，可以认为 导线上各点电压都相等，因此可以把导线看作是具有一定电气参数的整体，用集总参数 来描述；但当高频信号流过有限长导线，且波长和导线长度可以相比拟时，导线上各点 电压不相等，因此导线需要看成由无数个具有一定电气参数的微元组成，用分布参数来 描述。因此高频时传输线的模型不再只是一条理想导线，而是一个由无数个电阻、电感、 电容和电导组成的分布参数网络模型，传输线的理想模型就是无限多个这种微分段模型 级联而成的。 传输线可分为均匀传输线和非均匀传输线两种类型。由于均匀传输线应用较为广 泛，理论分析也较为简单，因此这里主要对均匀传输线进行讨论，取导线上一段无穷小 量如来分析，可等效成图3 1 的等效电路。 + a z ，f ) 图3 1 传输线微分段等效电路模型( r l c g 模型) 图3 1 中串联电阻r d z 代表由于导线电导率有限而引起的损耗，并联电导g d z 代表 由于分隔导线和地平面的介质阻抗有限而引起的损耗，串联电感l d z 代表磁场，并联电 容c d z 代表导线和地平面之间的电场。传输线微分段出在z 处的电压为u ( z ，f ) ，电流为 i ( z ，t ) ，而z + 出处的电压为u ( z + d z ，t ) ，电流为f ( z + d z ，t ) 。根据基尔霍夫定律得 “( z + d z , t ) 一“( z , t ) ：一r d z i ( z , t ) 一龙掣 ( 3 1 1 ) f ( z + d z , t ) 一i ( z , t ) ：一g d z “( z + d z , t ) 一毗型掣 ( 3 1 2 ) 分别对式( 3 1 1 ) 和式( 3 1 2 ) 两边同时除以出，并取如趋于0 的极限，则有 了o u ( z , t ) ：一r i ( z , t ) 一l - o i ( 。z t ) ( 3 1 3 ) _ o i ( z ：_ , t ) ：一g g ( z ，t ) 一c 掣望 ( 3 1 4 ) ( 弦u z 其中r ，l ，g ，c 分别是单位长度上的分布电阻、电感、电导和电容。 1 n 硕士论文高速互连设计中的信号完整性分析 式( 3 1 3 ) 和( 3 1 4 ) 就是均匀传输线方程，也称为电报方程，此方程组的解便是传输 线上任一点的电压和电流。其中传输线的特性参数数值可用测量方法得到，对于某些结 构简单的传输线可以用计算方法得到。 根据传输线理论，信号不仅仅是时间变量的函数，同时还是距离变量的函数，因此 信号在连线上的每一点都有可能变化。传输线的特性阻抗z 0 定义为线上任意点的电压和 电流的比值，根据上面两式( 3 1 3 ) 和( 3 1 4 ) 可以推导出： z o = 藤 对于均匀无损耗传输线，r = g = - 0 ，z o 可简化为： z 。= ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 此时特性阻抗z n 为实数，且与频率无关。 可见，传输线的特性阻抗只与信号连线本身的特性相关，理想传输线的特性阻抗只 取决于连线的单位长度分布电容和单位长度分布电感。目前p c b 走线中特性阻抗的较高 精度的计算可以用商用的电磁场求解工具，同时对于一些典型传输线也有了相应的近似 计算公式。 传输线上电信号的传播速度与其周围的介质有关。传播延迟通常用s m 来度量，是 传播速度的倒数。传输线的传播延迟与其周围介质的介电常数的平方根成正比。传输线 的时间延迟指整个线长信号传播所用的时间的总量，下面三个式子表示了相对介电常数 ，传播速度1 ，传播延迟。和时间延迟乞之间的关系： r一r一 y ：辜，f 硝：! ：监，石：x x s ， ( 3 1 7 )y 。f f 叫2 2 ，幻2 u l ， q r v cc 式中：v 为传播速度，单位m s ；c 为真空光速( 3x1 0 8 m s ) ；s ，为相对介电常数；r 耐为 传播延迟，单位为s m ；t 。为信号通过一段走线的传播延时，单位s ；x 为传输线长度， 单位为m 。 3 1 2 微带线与带状线【1 3 】 在实际的互连设计中，常见的传输线类型主要包括同轴线、双绞线、微带线和带状 线。这里主要讨论在互连设计中最常用的微带线和带状线。 微带线按照结构不同，分为普通微带线和嵌入式微带线，下面分别予以讨论。 普通微带线贴附在介质平面并直接暴露在空气中，如图3 2 所示： 3 信号完整性的基奉问履分析 硕论文 1iwh二r _ | 1 - - l 二二h i _ r _ l l _ i 一互互互墨互互互互 z 。a 高等，“啬器， ，s 一冰商”s ， z 0m 高等，“素筹)s “脉删s 训s ( 3 ) 塑 - 1 r 口圈 a hr 2 a ) 横截面结构图 b ) 电磁场分布图 酗3 3 嵌入式微带线几何结构蚓及其电磁场分布 对于嵌入式微带线，尤其是对于那些介质高度非对称的情况而言只要介质k 面的 厚度f m ( 升邡 远大于0 0 0 4 i n c h ，则微带线特性阻抗乙的计算公式为： z 0z 蒜葛埘者筹) ( 3 1 1 1 ) 式中，s ：为等效的有效相对介电常数，当0 1 w h 30 且1 f 。 1 5 时，表达式为： 垦 硕士论文 高速进设计中的信号完整性分析 s ：= ，( 1 一e ”)( 3 11 2 ) 其中，s ，为电介质2 的有效相对介电常数；矿为微带线宽度；，为微带线的厚度；日为 微带线与参考平面的距离，即电介质2 的厚度i 丑为两层介质层的高度。 传输延迟的计算公式为： t “= 10 1 7 _ 、 0 4 7 5 s + o6 7 ( n s f t ) ( 3 i1 3 ) 嵌入式微带线的性能是介_ 丁普通微带线和下面所讲的带状线之间，仅次于带状线。 在高速多层p c b 电路中，嵌入式微带线结构采用“盲孔”工艺或尽量减小过孔中的“丌 路短截线”长度以减少不连续。 带状线是在两个导电平面结构中被介质材料所包围的传输线，带状线存在于板的内 部，自身不暴露于空气中，如图3 , 4 所示： a ) 横截面结构酗b ) 电磁场分布幽 图3 4 带状线几何结构及其电磁场分布 i p c 推荐的带状线特性阻抗的近似公式为： z oz 芳埘丽1 厮9 b ，芳j l n 嵩等卜b 式叶 ，h o3 5 且v h o2 5 z 是特性阻抗，单位q ；f ，为有效相对介电常数； 为带状线宽度：r 为带状线厚度；日为带状线与参考平面的距离；b 为两参考层之间的 介质厚度。在高速电路设计中，带状线一般用于多层p c b 板。 带状线与微带线相比有如r 优点：带状线约束磁场并使层川串扰减小；能改善 r f ( r a d i of r e q u e n c y ，射频) 电路参考回路以降低磁通量；任何稚线产生的辐射都会被两 个参考平面束缚住，因此带状线会显著降低r f 能量向外界环境的辐射。但由于带状线 周围全足电介质( 介| 乜常数大十1 ) ，所以信号传播速度比在微带线中慢，且在放置终端 匹配电阻和信号测量时需要通孔的连接。 3 1 3 反射原理 当信号沿传输线从驱动源传到接收端时遇到阻抗突变，一部分信号将会反射回驱动 源，引起波形畸变。在高频电路中，传输线长可能接近波长，不合适的终端匹配可能导 致反射，引起逻辑问题或误触发。在高速p c b 设计中反射来源干阻抗不匹配，意味着 阻抗失配越大，反射就越大1 ”。 i 3 信号完整性的基本问题分析 硕士论文 当驱动端将信号传送到传输线上时，信号的幅度取决于驱动器的电压、驱动器的源 电阻和传输线的阻抗。“，的大小决定于内阻z 。和传输线阻抗z o 之间的分压： 吩= 虬虿z 酉o ( 3 1 1 5 ) a u t 仁= u l p l + u b 图3 5 反射原理图 反射系数为传输线上某点的反射电压“，。础。据d 与入射电压“加触之比，即 p ：1 1 r e f l e c t e d ：垒二鱼( 3 1 1 0 7 )力= = = 2i j 1 1 。 u h d d e n tz l 七z o 式中，“栅删表示反射电压，u i n 嘲，表示入射电压，z l 表示负载阻抗。 观察式( 3 1 1 6 ) 可以看出，当z = z o 时反射系数为0 ，意味着此时不发生反射，幅度 为u ，的信号就是端接到地的信号，传输线上的电压保持为u ，直到信号源再次发出信号。 但当z ，z 。时，将发生反射现象，反射是造成上冲、下冲和振铃的直接原因。如图3 5 所示，当入射波到达终端z 时，信号的一部分“，p 朝信号源端方向反射回去，并与入射 波叠加，在传输线上得到的电压幅值为u i p + “，。然后反射分量返回，向信号源传播， 并且可能在信号源处再发生一次反射。这种反射和逆反射在传输线上不断进行，直到满 足条件为止。 在高速数字系统中，传输线上阻抗不匹配会引起信号反射，减小和消除反射的方法 是根据传输线的特性阻抗，在其发送端或接收端进行阻抗端接匹配，从而使源反射系数 或负载反射系数为零。通常采用以下三个重要的措施：( 1 ) 使