（电路与系统专业论文）信号完整性分析及仿真波形自动分析技术研究.pdf

摘要 摘要 随着电子系统的设计规模越来越大，系统时钟的上升时间越来越短，信号完整 性的问题日益严重，与此相关的系统测试与仿真分析的工作量也急剧增加。而目前 广泛使用的e d a 仿真工具自动化程度不高，缺乏对仿真数据的分析处理功能，对 于设计人员的依赖性很大，使得仿真测试阶段消耗大量的时间和人力，影响了新产 品的设计效率，延长了其上市时间。 针对上述情况，本文提出了一种旨在提高信号完整性仿真流程自动化程度的 仿真自动化平台，并结合项目合作方在信号完整性仿真方面的软件实际应用情况， 给出了以c a d e n c e 信号完整性仿真软件为基础的仿真自动化平台的实现方案，作 为解决上述问题的一种尝试。 本文第一章首先介绍了信号完整性分析的理论基础一传输线理论与反射分 析；然后在第二章中给出了信号完整性仿真自动化软件( s l s a ) 的总体设计方案和模 块划分；本文第三章详细介绍了应用于信号完整性仿真自动化软件的、面向分析 的公共波形数据结构的制定，以及以此为基础的仿真波形自动分析技术和矢量化 保存技术；第四章中，作者将对本软件所使用的其它关键技术和整体实现效果作 一介绍，并对信号完整性仿真技术今后的发展作了展望。 关键词：信号完整性反射波形数据分析 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h et r e n c ho fe v e nh i g h e rs y s t e mi n t e g r a t i o n sa n df a s t e rc l o c kf r e q u e n c i e s s i g m ii n t e g r i t yp r o b l e m so ft h eh i g hs p e e di n t e r c o n n e c t i o n sh a v eb e c o m em o r ea n d m o r es e v e l e s i m u l a t i o n sa n dm e a s u r e m e n t si n c d e a s cr a p i d l y h o w e v e r , t h ea u t o m a t i o n l e v e lo f e d at o o l sa v a i l a b l ep r e s e n ti sn o th i g he n o u g ha n dt h e i rd a t ap r o c e s sc a p a b i l 时 i sn o ts t r o n ge n o u g he i t h e r m o s to ft h e s et o o l sa r ed e s i g n e rd e p e n d e n t i na d d i t i o n , m a n yc u s t o m e rs p e c i f i e df u n c t i o n sa r en o ta v a i l a b l ei nt h e s ee d at o o l s w h e nal a r g e r n u m b e ro fn e t sa r es i m u l a t e d ，i tw i l lt a k eal o to ft i m ea n dh u m a nr e s o u r c e s t h e r e b y ， t h ee f f i c i e n c yo f t h ep r o d u c t sd e s i g ni sl o w e r e d , a n dt h et i m et om a r k e tw i l lb ed e l a y e d as i g n a li n t e g r i t ys i m u l a t i o na u t o m a t i o np l a t f o r mi sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t o i m p r o v et h es i m u l a t i o ne f f i c i e n c y 1 1 1 ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft h ea u t o m a t i o n p l a t f o r mi sg i v e nb a s e d o nt h ec a d e n c es i g n a li n t e g r i t ys i m u l a t i o ns o f t w a r e i t sa i mi st o d e v e l o p ab e t t e rs o l u t i o nf o rt h ea f o r e m e n t i o n e d p r o b l e m s t h e c u s t o m e r s s p e c i f i c a t i o n sa r ef u l l yc o n s i d e r e di nt h ea u t o m a t i o np l a t f o r m t h ed i s s e r t a t i o ni so r g a n i z e da sf o l l o w i nc h a p t e ri s i g n a l i n t e g r i t ya n a l y s i s f u n d a m e n t sa r ei n t r o d u c e d t r a n s m i s s i o nl i n et h e o r ya n dr e f l e c t i o n0 1 1s i n g l en e ta r ep u t f o r w a r di nt h i sc h a p t e r t h eh i g hl e v e ls t r u c t u r eo ft h es i g n a li n t e g r i t ys i m u l a t i n g a u t o m a t i z a t i o np l a t f o r m ( s i s a ) a n di t sm o d u l e sp a r t i t i o na r ed i s c u s s e di nc h a p t e ri i i n c h a p t e ri i i t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ep u b l i cw a v e f o i md a t as t r u c t u r et h a ti su s e di nt h e s i s ap l a t f o r mi sd i s c u s s e di nd e t a i l t h ew a v e f o r ma n a l y s i sa u t o m a t i o nt e c h n i q u ea n d t h ew a v e f o r mv e c t o rs a v et e c h n i q u ea r e a l s op r o p o s e d f i n a l l y ，i nc h a p t e ri v ，a s i m p l i f i e di n t r o d u c t i o no ft h eu s e ri n t e r f a c eo fs i s as o f t w a r ea n dh o wt op e r f o r m s i m u l a t i o ni sm a d e a n ds o m ep o s s i b l es i g n a li n t e g r i t ys i m u l a t i o nt e c h n i q u e sw h i c h w o u l db eu s e di nt h ef u t u r ea r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：s i g n a li n t e g r i t y r e f l e c t i o nw a v e f o r md a t aa n a l ) , s i s 声明尸明 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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 包括其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得诬安电子科技大学或 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 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：刻丞9 坐 日期：翟哩：j ! f 罗 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 日期：三盟： ! ! 星 绪论 绪论 在当今快速发展的电子设计领域，电子系统越来越趋向于大规模、小体积、 高速度的方向发展。体积的快速减小导致了电路的布局布线密度变大和集成电路 开关速度提高，即使电路板( p c b ) 上的信号在几十兆的频率范围内工作，也会受到 开关速度在纳秒( 璐) 级的高速芯片的影响而产生大量的互连问题。与此同时信号的 工作频率还在不断提高，现代高速数字系统已突破i g h z 的壁垒，互连关系已经变 得不再“透明”。因此，高速系统的设计必须面对互连所引起的时序问题、反射、串 扰、地弹，电磁干扰、电源完整性等信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y ，简称s i ) 问题。 p c b 板级设计和i c 封装设计都必须要考虑信号完整性问题的影响。一个优秀的电 路设计，往往因为p c b 布局布线时某些高速信号处理不当而造成严重的过冲下 冲、延时、串扰及辐射等问题，最终导致产品设计的失败。即使设计人员目前没 有遇到s i 问题，今后也一定会。信号完整性已经成为高速数字设计必须关心的问 题之一。 随着计算机软硬件技术的不断发展，电子设计自动化e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 技术已经在信号完整性分析方面取得了巨大的成功。设计工程师利用 相关的e d a 工具可以直观、方便地分析信号完整性的各项参数，并能以此作出有 效的判断和对电路的改进，这极大的提高了设计效率和产品的第一次运行成功率。 但是现有的信号完整性仿真工具还处于起步阶段，存在一些不完善的地方，仿真 过程自动化程度不高，特别是缺乏对仿真结果的必要分析，对于设计人员的依赖 性很大。随着电子系统设计大型化，复杂化，设计人员需要使用e d a 工具对大量 的，复杂的，多条件的网络进行仿真，而且仿真完成后，面对大量仿真结果数据， 设计人员还需要花费很多精力进行分析、比对。而且出于质量管理和过程控制的 需要，设计人员还需要编写详细的仿真分析报告，进行包括截图、制表等许多简 单重复的操作，不仅十分枯燥，而且造成时间和人力的很大浪费。 本课题源自华为技术公司与西安电子科技大学电路c a d 所合作开发的“信号 完整性仿真自动化”项目，该项目正是针对上述情况，提出了信号完整性仿真分析 过程自动化的解决方案，作为解决上述问题的一种尝试。该解决方案根据华为公 司信号完整性仿真流程需求，对其现有信号完整性仿真工具进行二次开发。整个 方案采用服务器客户端模式，使得所有的仿真条件设置操作都集中到每次仿真任 务的最开始在客户端完成，然后整个仿真、分析、绘图、文档生成工作集中在服 务器端完成。不仅中间的仿真过程不再需要人工干预，而且对仿真数据的初步分 2 信号完整性分析及仿真波形自动分析技术研究 析和文档的生成也不再需要设计人员的参与，这样就把设计人员从重复性的工作 中解放出来，让设计人员将注意力更多放在分析和解决更高层次的s i 问题上，更 有效地提高设计的效率，节省人力、成本，缩短产品设计周期，加快产品的上市 步伐。 本论文围绕科研项目，重点论述了信号完整性仿真自动化的总体设计方案和 使用的相关技术，特别是面向分析的仿真波形公共数据结构和仿真波形自动分析 保存技术。 论文共分四章： 第一章：信号完整性基本理论 介绍信号完整性分析的理论基础，主要介绍传输线理论以及反射分析基础与 端接策略。 第二章：信号完整性仿真自动化项目总体设计 介绍了信号完整性仿真软件发展的情况，着重介绍了c a d e n c e 软件仿真模型， 仿真实质与仿真流程和信号完整性仿真自动化平台的总体方案。 第三章：公共波形数据结构和仿真波形数据自动分析技术 详细介绍了c a d e n c e 仿真结果信息的提取与面向分析的公共波形数据结构的 制定，并给出了基于公共波形数据结构的仿真波形自动分析算法和矢量化保存技 术。 第四章：信号完整性仿真自动化项目其它关键技术及实现情况 介绍了s i s a 平台的其它关键技术和实际开发情况，并对平台进一步开发作了 技术展望。 在论文的结束部分，对整个课题的研究工作做了总结。 第一章信号完整性基本理论 第一章信号完整性基本理论 信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y ，简称s i ) 指的是在高速数字系统中由互连所引起 的所有问题。s i 主要研究互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时，其电气 特性参数是如何影响产品性能的1 1 7 】。我们知道，数字电路系统的信号传输是依赖 于驱动器和接收器之间的通信进行的，对于低频数字电路来说，它们之间基本上 是可以可靠通信的。这里的可靠通信是指系统在不利的噪声环境中，器件的不一 致性以及环境温度变化的情况下，仍然能够正确传输信号。然而随着传输频率的 提高，以及时钟上升下降时间的变短，使得原来可靠的通信变得不再可靠了，即 如果信号时钟边沿变陡，信号传输将很可能出现错误，这时通信就变得不再可靠 了，通信变得不再可靠的原因，如振铃、反射、串扰、开关噪声、地弹、电源反 弹、衰减、容性负载等等，正是互连线的电气特性对数字信号波形所造成的不利 影响引。 1 1 传输线理论 在低速设计中，由于互连线的长度远小于通过该系统的信号上升沿有效长度 的1 6 ，因此走线每个部分的电位在整个持续时间里几乎是一致的，所以通常将互 连通路建模为由电容、电阻、电感或简单的延迟线组成的集总参数系统模型【l 甜。 其中的电阻、电容、电感都属于集总参数器件。集总参数系统的基本特征包括： 电参数都集中在电路元件上 元件之间互连线的长短对信号本身的特性没有影响，即信号在传输过程中 无畸变，信号传输不需要时间 系统中各点的电压或电流均是时间并且只是时间的函数 然而在高速数字系统中，由于互连线的长度相对于信号上升沿的有效长度是 可以比拟的，所以，信号在互连线中传输是需要时间的，信号传输的过程中，互 连线上各处的电压值是不相同的。此时，集总参数模型就不再适合对互连线进行 建模了。解决的方法就是把互连线作为分布参数系统来进行建模，即采用传输线 理论进行建模1 5 j 。传输线，也被称为延迟线，是一种新的理想电路元件，它与电阻、 电容、电感这三种理想集总参数电路元件的特性大不相同，与数字信号相互作用 关系也区别于上述三种理想集总参数元件。在高速数字系统中，p c b 和m c m 中 的互连线必须当作传输线来处理1 4 j 。传输线的基本特征包括： 电参数是在其占据的所有空间位置上分布的 4信号完整性分析及仿真波形自动分析技术研究 信号传输需要时间。传输线的长度直接影响着信号的特性，或者说可能使 信号在传输过程中产生畸变 一信号不仅仅是时间( r ) 的函数，同时也与信号所处的位置( z ) 有关，即信号 同时是时间( ，) 和位置( z ) 的函数 为了找出分布参数系统中，互连线上数字信号随时间、位置变化的规律，即 u ( z ，r ) ，i ( z ，) 的变化规律，首先要建立传输线的物理模型，给出描述u ( z ，t ) ，i ( z ，f ) 的数学表达式，并以次为依据，分析其变化规律。在高频情况下，p c b 上的每一 段导线都需要将理想的导线转变为复杂的传输线。s t e p h e nh h a l l 在他的专著 g h i g h s p e e dd i g i t a ls y s t e md e s i g n ) 中对此做了详细的论述【3 1 ”。 当互连线传输频率达到高频段时，其分布效应不可忽略，所以传输线是一种 分布参数电路。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、 电感和电容、电导组成的分布参数网络模型，即传输线的r l c g 模型。也就是说 p c b 或m c m 上的互连线具有了分布的电阻、电容和电感等电气特性。传输线正 是所有这些分布的电气特性及其对地回路的集和。这导致传输线上的电压和电流 是随时间和空间位置而变化的二元函数。根据极限分析原理，我们可以把均匀传 输线分割成许多小的微元段d ，( d ， a ) ，其中五为信号上升沿的有效长度，这样每 个微元段可看作集总参数电路，用一个r 型网络来等效。于是整个传输线可等效成 无穷多个r 型网络的级联 6 1 。 图1 1 传输线的分布参数模型 如前所述，传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感 和电阻。我们不妨考察一段长度为业的传输线，当& 远小于传输线上传输信号的 频率倒数( 波长) 的1 6 时，那么根据区分集总参数系统和分布参数系统的原则，我 们就可以把这段长度为& 的传输线当作一个集总参数系统进行分析。下面是我们 截取的一段长度为z 的传输线片段： 第一章信号完整性基本理论 i ( z ，t ) i ( z + z ，t ) 卜i _ 一 z u ( z + a z , t ) z - 一 z + z 瞄麓篡攀 m ， 意羔篓 m z ， 【鱼字一啡，f ) 一c 掣 一 一o i ( z , t ) j - ：磊 m ， 【百一c 掣 一 6信号完整性分析及仿真波形自动分析技术研究 j 黧一m 。，枷 【掣= 啪) 1 d 2 u 广( z ) = 吖2 u ( z ) 挚叫2 ，( ：， a 。5 其中y 为复传播常数，它是频率的函数，在分析无损传输线时，表示为： ，= 口+ j p = j w l x j w c ( 1 6 ) 然后，根据微波传输线理论，我们将在整个传输线上传输的信号分为入射信 号和反射信号，也可以称作入射波和反射波。( 1 7 ) 式给出以传输线上入射波和反 射波表示的方程。 卜= u + u 秽( 1 - 7 ) 【，( z ) = i o p 一”+ i o p ” 其中p 一”表示+ z 方向的波传播，表示沿一z 方向的波传播，观察式( 1 4 ) 和式 ( 1 - 7 ) ，我们可以得到传输线上的电流表达式为： ，( z ) = 了u o e 一”一p ”( 1 8 ) j w l 由上式和式( 1 7 ) 可以得出传输线传输信号的阻抗为 z o = 等= 偿j w c = j ； m ， ，v yc 可以看出，这一值是处处相等的，这就是表征传输线特性的特征阻抗z 。 与此相关的另外一个重要的概念是瞬态阻抗，它是指信号每前进“一步”所受到 的阻抗。对于均匀传输线，由于其单位长度电感和电容相同，所以在任何一处信 号所受到的瞬态阻抗和特征阻抗都是相同的。而对非均匀传输线，如路径上出现 线宽或厚度的突变等，信号受到的瞬态阻抗就是一个变化值。瞬态阻抗的变化导 致的直接后果就是产生反射噪声。 传输线的第二个重要参数为其时延。传输线上电信号的传播速度取决于周围 的介质。传输线的时延就是电信号通过整个传输线长度所用的时间。它应该是信 号传播速度的倒数，与介质的介电常数的平方根成正比。下列公式说明了介电常 数、传播速度、传播延迟和时延之间的关系： 第一章信号完整性基本理论 v = ；二( 1 10 ) q s ， 1f p d 一1 1 生 ( 1 1 1 1 t d ；半：瓜( 1 - 1 2 ) 其中v 为电信号的传播速度，单位是m mc 表示真空中的光速，即3 1 0 8 m s ； 占，为介电常数；尸d 表示传输线的传播时延，单位为s mt d 表示信号通过长度 为x 的传输线的时延；x 为传输线的长度，单位为m ；上。表示整个传输线的总的 串连电感；c 。表示整个传输线中的并联电容。 数字系统设计中，把元器件连接起来需要使用大量的传输线，有的传输线很 短，仅有几厘米，而有的传输线较长。在较长的传输线上，信号从驱动器到接收 器需要一定的时间，实验和电动力学的理论都证明了以空气为绝缘介质的均匀导 体，电信号的传输速度可以接近光速，& p 3 ! o s m s 。假设有5 m 长的导线，信号从 驱动端到接收端需要1 7 n s 的时间，也就是说，接收信号对于驱动信号有1 7 n s 的延迟。 这段时间对于微秒级或更低速度的系统是可以忽略的，但对于纳秒量级的高速电 路，这个延迟就不容忽视了。高速门电路的每级平均延迟时间可以小到几个纳秒， 而速度更高的e c l 数字集成电路，其典型延迟时间为1 2 n s 。在这样的高速电路系 统中，印刷电路板上的连线( 通常不超过1 0 2 0 厘米) 延迟也都不可再忽略。问题还 不只于此，从以后的分析中还将看到，当高速跳变的信号在传输线中传播时，若 出现阻抗失配，还会出现传输信号的反射，使信号波形严重畸变，并且引起一些 有害的干扰脉冲，影响整个系统的正常工作，所以在高速数字电路设计中，信号 传输与互连问题必须予以慎重考虑【2 2 】。 1 2 反射理论 信号在传输线上传播，其路径上的每一步都有相应的瞬态阻抗，如果传输线 沿线的几何结构和电气参数是不变的，那么瞬态阻抗就等于传输线的特征阻抗。 无论什么原因，只要信号遇到瞬态阻抗突变，反射就会发生。这可能发生在传输 线末端，或者是在传输线拓扑结构发生改变的任何地方，例如拐角、过孔、接插 件和封装处。在发生反射的地方，一部分信号将沿着与原传播方向相反的方向反 射，而另一部分将继续向前传播，但幅度有所改变【i ”。我们以图1 3 所示的理想传 输线模型对与信号反射有关的重要参数进行分析。 信号完整性分析及仿真波形自动分析技术研究 l r 。a 卜一b r l 图1 3 理想传输线模型 如图1 3 所示，理想传输线l 被内阻为r 的数字信号驱动源k 所驱动，传输 线的特征阻抗为z 0 ，负载阻抗为蜀。理想的情况是当r o = z o = 毋时，整个互连的 阻抗是连续的，不会发生任何反射，能量一半消耗在源内阻风上，另一半消耗在 负载电阻置，上( 假设传输线无直流损耗) 。如果负载阻抗大于传输线的特征阻抗，那 么负载端多余的能量就会反射回源端，由于负载端没有吸收全部能量，故称这种 情况称为欠阻尼。如果负载阻抗小于传输线的特征阻抗，负载试图消耗比当前源 端提供的能量更多的能量，故通过反射来“通知”源端输送更多的能量，这种情 况称为过阻尼。欠阻尼和过阻尼都会引起信号的反向传播，在某些情况下，会在 传输线上形成驻波。当z o = r ，时，负载完全吸收到达的能量，没有任何信号反射 回源端，这种情况称为临界阻尼。从系统设计的角度来看，由于临界阻尼情况很 难满足，所以最可靠适用的方式是轻微的过阻尼，因为这样可以减少返回源端的 能量。 负载端阻抗与传输线阻抗不匹配会在负载端( b 点) 将一部分信号反射回源端 ( a 点) ，反射电压信号的幅值由负载反射系数岛来决定，肼定义为反射信号与入 射信号的比值，结合分压定理，可得式( 1 1 3 ) ： 见= 瓦r r e , q = e a a = 砰r i - z i 0 ( 1 - 1 3 ) 不难看出，一l p l + 1 。当z o = r i 时，n = o ，这时就不会发生反射。只要 根据传输线的特征阻抗进行终端匹配，就能消除反射。从原理上说，反射波的幅 度可以大到足以和入射电压的幅度相等的水平，极性可正可负。当r l 0 。，处 于欠阻尼状态，反射波极性为正。 当从负载端反射回的电压到达源端时，如果r ，不等于乙，信号又将再次反射 回负载端，形成二次反射波，此时反射电压的幅值由源反射系数n 决定，见式 ( 1 - 1 4 ) ： p ，= 等 ( 1 - 1 4 ) 如果驱动端和接收端均处于非临界阻尼状态，则信号将在两个瞬时阻抗突变 第一章信号完整性基本理论9 的地方来回振荡，形成驻波，这是形成过冲、下冲和振铃的直接原因，也是一般 单网络信号完整性问题最常见的表现。下一节我们将介绍如何通过采用终端阻抗 匹配等各种措施来消除或减小反射效应。 1 3 克服反射的端接策略 在高速数字系统中，如果信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化， 则部分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播下去，这正是形成单一网 络多数信号完整性问题的主要原因。减小和消除反射的方法是根据传输线的特征 阻抗在其发送端或接收端进行终端阻抗匹配，从而使源反射系数或负载反射系数 为零。传输线的长度如符合下式的条件，则应使用端接技术【2 5 1 。 l 土 ( 1 1 5 ) t 式( 1 1 5 ) 6 0 ，l 为传输线线长，f ，为源端信号的上升时间，。为传输线上每单 位长度的传输延迟，即前文所提到的p d 。可以推算得出，当f ，小于传输时间t d 的 2 倍时，源端的电平跳转过程在传输线的接收端反射回源端的反射波到达源端之前 还没有完成，这时会在传输线上引起严重的振铃问题。 抑制或减轻反射问题的途径主要有三种：降低系统频率，缩短走线长度，对 传输线进行端接。前两种方法受产品需求限制较大，所以，人们通常从端接这个 角度入手解决反射问题。 传输线的端接通常采用两种策略：( 1 ) 使负载阻抗与传输线阻抗匹配，即并行 端接；( 2 ) 使源端阻抗与传输线阻抗匹配，即串行端接。即如果负载反射系数或源 反射系数二者任一为零，反射将被消除。 从系统设计的角度，应首选第一种策略，因为该策略是在信号能量反射回源 端之前在负载端消除反射，即令p l = 0 ，因而消除一次反射，这样可以减小噪声、 电磁干扰及射频干扰。而第二种策略则是在源端消除由负载端反射回来的信号的 反射，即使风= 0 和p l = 1 ( 负载端不加任何匹配) ，只是消除二次反射，在发生电 平跳转时，源端会出现持续时间为2 t d 的半波波形，而且由于策略一实现简单方 便，在许多应用中也被广泛采用。 1 3 1 单负载网络的端接策略 1 、源端串联端接 源端串联端接是指通过在尽量靠近源端的位置串行插入一个电阻足( 典型值 为l o n 到7 5 q ) 到传输线中来实现端接，如图1 4 所示。串行端接是对信号源阻抗 1 0信号完整性分析及仿真波形自动分析技术研究 的匹配，所插入的串行电阻阻值加上驱动源的输出阻抗应大于等于传输线阻抗( 实 现轻微过阻尼) 。 z o 图1 4 源端串联端接方法 这种策略通过使源端反射系数接近为零从而抑制从负载反射回来的信号( 负载 端输入高阻，不吸收能量) 再从源端反射回负载端。 串行端接的优点在于：每条线只需要一个端接电阻，无需与电源相连接，消 耗功率小。当驱动高容性负载时可提供限流作用，这种限流作用可以帮助减小地 弹噪声。串行端接的缺点在于：当信号逻辑转换时，由于冠的分压作用，在源端 会出现半波幅度的信号，这种半波幅度的信号沿传输线传播至负载端，又从负载 端反射回源端，持续时间为2 t d ( t d 为信号源端到终端的传输延迟1 ，这意味着沿 传输线不能加入其它的信号输入端，因为在上述2 t d 时间内会出现不正确的逻辑 状态。并且由于在信号通路上加接了元件，增加了r c 时间常数，从而减缓了负载 端信号的上升时间，因而不适合用于高频信号通路( 如高速时钟等) 。 2 、负载端并联端接 这种端接方式是通过简单的在负载端加入一下拉电阻r ，( r ，= z 。) 来实现匹 配，如图2 5 所示。采用此种端接的条件是驱动端必须能够提供输出高电平时的驱 动电流，以保证通过端接电阻的高电平电压满足门限电压要求。在输出为高电平 状态时，这种并行端接电路消耗的电流过大，对于5 0 1 1 的端接负载，维持t t l 高 电平消耗电流高达4 8 m a ，因此一般器件很难可靠支持这种端接电路。 图1 5 远端并联端接方法 3 、负载端戴维宁( t h e v e n i n ) 端接 第一章信号完整性基本理论 图1 6 远端戴维宁端接方法 戴维宁( t h e v e n i n ) 端接即分压器型端接，如图1 6 所示。它采用上拉电阻冠和 下拉电阻b 构成端接电阻，通过r i 和尼吸收反射。冠和最阻值的选取由下面的条 件决定：r i 的最大值由可接受的信号的最大上升时间( 是r c 充放电时间常数的函 数) 决定，r w 的最小值由驱动源的吸收电流数值决定；见的选择应满足当传输线断 开时电路逻辑高电平的要求。戴维宁等效阻抗可表示为： d 口 r ，= - 二：上2 _( 2 2 ) r i + r 2 这里要求厨等于传输线特征阻抗z 0 ，以达到最佳匹配。此端接方案虽然降低 了对源端器件驱动能力的要求，但却由于在v c c 和g r o u n d 之间连接了电阻冠和 b ，从而一直在从系统电源吸收电流，因此直流功耗较大。 4 、负载端主动并行端接 图1 7 远端主动并行端接方法 在这种端接策略中，端接电阻z 0 ( r r = z o ) 将负载端信号拉至偏移电压。， 如图1 7 所示。的选择依据是要使输出驱动源能够对高低电平信号有汲取电流 的能力。这种端接方式需要一个具有吸、灌电流能力的独立电压源来满足输出电 压跳变速度的要求。在这种端接方案中，如偏移电压。为正电压，输入为逻辑 低电平时有直流功率损耗；如偏移电压。为负电压，则输入为逻辑高电平时有 直流功率损耗。 5 、负载端r c 端接 2信号完整性分析及仿真波形自动分析技术研究 a z o b 图1 8 远端r c 端接方法 如图1 8 所示，并行r c 端接使用电阻和电容网络( 串联r c ) 作为端接阻抗。端 接电阻r 要求小于等于传输线阻抗z 0 ，电容c 必须大于1 0 0 p f ，推荐使用o 1u f 的多层陶瓷电容。电容有阻低频通高频的作用，因此电阻胄不是驱动源的直流负 载，故这种端接方式无任何直流功耗。 1 3 2 多负载网络端接策略 在实际电路中常常会遇到单一驱动源驱动多个负载的情况，这时需要根据负 载情况及电路的布线拓扑结构来确定端接方式和使用端接的数量。一般情况下可 以考虑以下两种方案：多负载串行端接和多负载并行端接。 图1 9 多负载间距离较近的串行端接方法 图1 1 0 多负载间距离较近的并行端接方法 如果多个负载之间的距离较近，可通过一条传输线与驱动端连接，负载都位 于这条传输线的终端，这时只需要一个端接电路。如采用串行端接，则在传输线 源端加入一串行电阻即可，如图1 9 所示。如采用并行端接( 以简单并行端接为例) ， 则端接电阻应置于离源端距离最远的负载处，同时，线网的拓扑结构应优先采用 菊花链的连接方式，如图1 1 0 所示。 如果多个负载之间的距离较远，需要通过多条传输线与驱动端连接，这时每 个负载都需要一个端接电路。如采用串行端接，则在每条传输线的源端均需要加 第一章信号完整性基本理论 1 3 入一串行电阻，如图1 1 l 所示。如采用并行端接( 以简单并行端接为例) ，则应在每 一负载处都进行端接，如图1 1 2 所示。 图1 11 多负载间距离较远的串行端接方法 图1 1 2 多负载间距离较远的并行端接方法 1 3 3 不同工艺器件的端接策略 考虑到器件工艺的不同，对于不同工艺器件由于其驱动电压以及内阻的的差 异，需要针对具体情况，使用正确适当的端接方法才能有效地减小信号反射。一 般来说，对于一个c m o s 工艺的驱动源，其输出阻抗值较稳定且接近传输线的阻 抗值，因此对于c m o s 器件使用串行端接技术就会获得较好的效果。而t t l 工艺 的驱动源在输出逻辑高电平和低电平时其输出阻抗有所不同，这时，使用并行戴 维宁端接方案则是一种较好的策略。e c l 器件一般都具有很低的输出阻抗，因此， 在e c l 电路的接收端使用一个下拉端接电阻( 下拉电平需要根据实际情况选取) 来 吸收能量是e c l 电路的通用端接技术。 当然，消除反射的方法多种多样，具体电路上的差别、网络拓扑结构的选取、 接收端的负载数目等都是可能影响端接策略的因素，因此在选取高速电路传输线 端接方案时，同时也需要根据具体情况来选取合适的，甚至是全新的端接方案以 获得最佳的端接效果。 第二章信号完整性仿真自动化项目总体设计 第二章信号完整性仿真自动化项目总体设计 2 1 信号完整性仿真工具的发展背景 随着近二十年来电子产业的高速发展，电子设计自动化( e d a ) 软件也得到了空 前的发展。特别是近些年来，随着电子设计趋于高度集成化、高速化，信号完整 性问题逐步凸现出来的时候，各大e d a 软件厂商凭借其强大的技术实力，迅速拿 出了各自应用于信号完整性的仿真工具，比如c a d e n c e 、s y n o p s y s 、m e m o r 、z u k e n 、 a n s o f i 等公司都有各自的s i 仿真工具，对分析s i 问题的侧重点都有所不同。因此， 各家用户选择的e d a 工具也各不相同【2 。 目前业界常用的仿真工具有c a d e n c e 公司的a l l e g r o s p e c c t r a q u e s t 、a n s o f t 公司的s i w a v e 、z u k e n 公司的h o t - s t a g e 4 和m e n t o r g r a p h i c s 公司的h y p e r l y n x 等。 下面就对这几种仿真软件作一简要的介绍。 2 1 1m e n t o rg r a p h i c s 公司的h y p e d y n x 仿真工具 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 软件是业界应用较为普遍的高速p c b 仿 真工具。它包含前仿真环境( l i n e s i m ) ，后仿真环境( b o a r d s i m ) 以及多板分析 功能，可以帮助设计者对电路板上频率低至几十兆赫兹，高达千兆赫兹( g h z ) 以 上的网络进行信号完整性与电磁兼容性仿真分析，消除设计隐患，提高设计一版 成功率。其中l i n e s i m 用于布线设计前约束布线和各层的参数、设置时钟的布线 拓扑结构、选择元器件的速率、诊断信号完整性，并尽量避免电磁辐射及串扰等 问题。b o a r d s i m 用于布线后快速的分析设计中的信号完整性、电磁兼容性和串扰 问题，生成串扰强度报告，区分并解决串扰问题。同时h y p e r l y n x 还包括e m c a n a l y s i s 、s p i c en e t l i s tw r i t e r 、c r o s s t a l ka n a l y s i s 、m u l t i p l eb o a r da n a l y s i s 等工具。 h y p e r l y n x 具有良好的兼容性，与主要p c b 产品都有接口，如：p o w e rp c b 、 e x p e d i t i o n 、b o a r ds t a t i o n 等。其主要特点包括： - 工程化的高速p c b 信号完整性与电磁兼容性仿真工具，操作简便，易于 掌握 支持所有p c b 环境下的设计文件 支持p c b 前仿真后仿真分析 一支持p c b 叠层结构、物理参数的提取与设定 6信号完整性分析及仿真波形自动分析技术研究 _ 支持各种传输线的阻抗规划与计算 一支持反射、串扰、损耗、过孔效应及电磁兼容性分析 通过匹配向导为高速网络提供串行、并行及差分匹配等方案 _ 支持多板分析，可对板间传输的信号进行反射、串扰及损耗分析 _ 提供d d r d d r i i u s b s a t m p c i x 等多种设计工具包 2 1 2a n s o f l 公司的仿真工具 a n s o f t 公司的s 1 w a v e 是一款精确的整板级电磁场全波分析工具，它采用三维 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 l w 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 信号线与供电板间的噪声耦合、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 而且，s l w a v e 将仿真结果以先进的z 三维图形方式显示，并可输出s p i c e 等 效电路模型以用于s p i c e 仿真。s 1 w a v e 更提供了无缝的集成设计流程，可以从标 准布线工具如：c a d e n c ea l l e g r o 、a p d 、z u k e nc r 5 0 0 0 、a v a n f ie n c o r e 等所产生 的版图直接输入到s l w a v e 中进行分析。 2 1 3z u k e n 公司的虚拟原型设计工具 z u k e n 公司的虚拟原型设计产品h o t - s t a g e g ，通过包含基于电子制表软件的约 束管理器、自动约束向导、嵌入式布线器等工具，具备了在线仿真、验证以及e m i 和热分析等功能。h o t s t a g e 4 还能够为设计工程师和布局工程师提供设计纠正方 法。工程师输入约束条件，该工具便可自动合成满足要求的设计。其中约束条件 是在类似w i n d o w s 的环境中进行管理的，其树状浏览器可以方便的设计索引，而 电子制表软件可以编辑电气约束条件并显示非法约束。所有这些均是在一个界面 中实现的，因此减少了重复设计，降低了生产成本，并缩短了产品上市时间。 h o t - s t a g e 4 的独立选项h o t - s t a g ee m l 通过执行全板扫描可以快速检查辐射效应， 进一步增强了该设计软件的功能。据称这是判断辐射源的有效方法，可使用户事 先了解整个线路板的e m c 性能，并帮助避免由e m c 性能差而带来的问题。 第二章信号完整性仿真自动化项目总体设计1 7 2 1 4c a d e n c e 公司的高速系统板级设计工具 c a d e n c ea u e g r o s p e c c t r a q u e s t 是c a d e n c e 公司提供的一种高速系统板级设 计工具，通过它用户可以控制与p c b l a y o u t 相关的限制条件。c a d e n c e a l l e g r o s p e c c t r a q u e s t 主要集成了以下工具降j ： s i g x p l o r e r ( s i g x p ) 拓扑结构开发环境。在该环境下用户可以进行走线拓扑结构 的编辑。可在工具中定义和控制延时、特征阻抗、驱动和负载的类型和数量、拓 扑结构以及终端负载的类型等。在p c b 详细设计前，可以使用该工具对传输线的 不同情况进行仿真，把仿真结果添加成为拓扑结构模板，在后期详细设计中应用 这些模板进行设计。 d f s i g n o i s e 信噪分析子系统。该系统可提供复杂的信号延时和信号畸变分析、 i b i s 模型库的设置开发功能。s i g n o i s e 是a l l e g r o s p e c c t r a q u e s ts i e x p e r t 和 s q s i g n a le x p l o r e re x p e r t 进行分析仿真的仿真引擎，利用s i g n o i s e 可以进行反射、 串扰、s s n 、e m i 、源同步及系统级的仿真。 e m c o n t r o l 电磁兼容设计工具。该工具内置了e m c 设计经验规则，可以在设 计的任何阶段进行规则检查。通过连续地进行e m c 分析和微调，可以减少或消除 与e m c 设计相关的大量开销。 在上述的几种s i 仿真工具中，c a d e n c e a l l e g r o 是目前通用的版图设计工具，也 是华为技术公司p c b 板设计所采用的e d a 软件。由于c a d e n c ea l l e g r o 具备与 c a d e n c es p e c c t r a q u e s t 相同的数据库，所以c a d e n c ea l l e g r o 也被用做板级s i 仿 真的主要工具，避免了数据转换的问题。因此，本课题将主要针对c a d e n c e 公司 a l l e g r o 系列的s i 仿真软件进行信号完整性仿真自动化的开发。 2 2c a d e n c e 信号完整性仿真工具 2 2 1c a d e n c e 信号完整性仿真机理 正如上面我们所提到的，c a d e n c e 对信号完整性问题进行仿真是通过s i g n o i s e 仿真子系统实现的。s i g n o i s e 是对信噪、串扰和电磁兼容进行分析的工具环境，它 包括t l s i m 仿真引擎、s i g w a v e 波形显示器、d m l 建模语言转换器和一个库模型 编辑管理子系统。s i g n o i s e 整合了s p e c c t r a q u e s t 、s i g x p 和a l l e g r oe x p e r t ， 这三种工具分别从互连的物理和电气角度提供不同了的仿真结果。c