（微电子学与固体电子学专业论文）混合信号集成电路的emc问题及解决对策的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) i h 题的研究开始于二十世纪 三十年代，而芯片级e m c 问题研究最早出现在1 9 6 5 年的美国军方武器研究中 心。起初由于芯片的门数较少，且时钟工作频率较低，电路的e m c 问题通过在 系统板级上的电路设计即能有效的解决，故芯片内的e m c 问题并不会被重视。 随着工艺技术的不断改进，芯片的规模和复杂度得到迅猛的发展，芯片内电路的 门数以及工作频率的增加，随着如今r f 电路的嵌入，使得系统级的e m c 设计 已不能解决产品的e m c 问题，芯片级的e m c 设计研究也越来越被重视。 本文的主要研究内容是设计一款测试芯片，用于研究集成电路中不同结构的 i o 的对外发射强度、集成电路地线反弹和r f 信号与时钟信号的互调。研究目 的是通过对测试芯片的软件仿真获得电路e m c 设计技术和为芯片版图的e m c 设计提供理论基础和设计方向。 论文的主要贡献如下： 1 测试芯片的设计；测试芯片是基于t s m c0 2 5 u r n 标准c m o s 模型，测 试芯片包括可控输出对比模块、地线反弹评估模块、1 8 g h z 的l n a 和时钟信号 产生及控制模块，其中时钟信号产生模块能产生1 0 m h z - 1 0 0 m h z 的中低频时钟 信号。 2 建立用于电路测试仿真的四种仿真模型，分别为：i o 电磁仿真模型、电 源线电磁模型、t e m 单元测试模型和r f 模块的衬底耦合模型。仿真模型的建立 可以有效地在版图前不同的e m c 设计方法的效果的比较。 3 通过对测试芯片加测试仿真模型的综合仿真，得出了在一般工作环境下， 改变输出回转率s r 是最佳降低i o 发射的方法。同时利用i c e m 模型来计算解 耦电容的大小也是有效的，使得片内解耦电容的大小的确定不再是经验化，从实 验证明了解耦电容的位置，远离p a d 放置为最佳位置。 4 通过对测试芯片加测试仿真模型的综合仿真，得出时钟微带线对l n a 的 频率调制，l n a 对时钟微带线的幅度调制。降低偶合电容( 降低时钟微带线的 面积) 能有效降低l n a 与时钟微带线的互调。 关键词：电磁兼容，差分输出，交错极性输出，地线反弹，衬底耦合 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) p r o b l e mc a nb et r a c k e db a c kt ot h e3 0 s ，2 0 t h c e n t u r y t h er e s e a r c ho fe m c o nc h i pl e v e ls t a r t e df r o m19 6 5i nt h ew e a p o nr e s e a r c h c e n t e ro fa m e r i c a nm i l i t a r y i nt h eb e g i n n i n g , s i n c et h e r ew a ss m a l ln u m b e ro fg a t e s i nt h ec h i p sa n dt h ew o r k i n gf r e q u e n c yw a sr e l a t i v e l yl o w , t h ee m c p r o b l e mc a nb e s o l v e dt h r o u g hc a r e f u lc i r c u i td e s i g no ns y s t e ml e v e l ，a n dt h ee m c p r o b l e mi n s i d e c h i p sd i d n td r a wm u c ha t t e n t i o n a c c o r d i n gt ot h em o o r el a w , t h ec h i pd e s i g n t e c h n i q u e sd e v e l o pg r e a t l yr e s u l t i n gi nt h el a r g e ra n dl a r g e rs c a l ea n dt h ei n c r e a s i n g w o r k i n gf r e q u e n c yo fc h i p s t h ee m e r g e n c eo fe m b e d d e dr fc i r c u i tm a k e st h e a p p r o a c h e st oe m c 0 1 1s y s t e ml e v e ln o ta v a i l a b l ef o rt h ee m co nc h i pl e v e l t h u s m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp l a c e do nt h er e s e a r c ho fe m co nc h i pl e v e l at e s tc h i pw h i c hi sd e s i g n e di su s e dt or e s e a r c ht h ee m i s s i o no fi oo fi c s ，t h e g r o u n db o u n c eo fi c sa n dt h ei n t e r - m o d u l a t i o nb e t w e e nt h er fs i g n a la n dt h ec l o c k s i g n a l t h r o u g ht h er e s e a r c h ，t h en e we m cd e s i g nt e c h n i q u ei sp r o p o s e di nt h e p r e - l a y o u tp r o c e s s t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h et h e s i si ss e e na sf o l l o w s ： 1 d e s i g n i n gt h et e s tc h i p ；b a s e do nt h et s m co 2 5m i x e dc m o sp r o c e s s ，t h e t e s t c h i pi sc o m p o s e do fc o n t r o l l e dc o m p a r e d - o u t p u tm o d u l e ，e v a l u a t i n g g r o u n db o u n c em o d u l e ，1 8 g h zl n aa n dg e n e r a t i n g - c l o c km o d u l e t h e g e n e r a t i n g - c l o c km o d u l ec a nc r e a t et h ec l o c ks i g n a l ，t h er a n g eo fw h i c hi s 1 0 m h zt o1 0 0 m h z 2 d e s i g n i n gt h ef o u re mm o d e l st os i m u l a t et h et e s tc h i pe f f i c i e n t l yo nt h es o f t o p e r a t i n gp l a t ；t h ef o u rm o d e l sa r ei oe ms i m u l a t i o nm o d e l ，p o w e rl i n ee m m o d e l ，t e mc e l l t e s tm o d e la n dt h es u b s t r a t ec o u p l i n gm o d e li nt h er f m o d u l e 3 b ys i m u l a t i n gt h et e s tc h i pi n c l u d i n gt h ea b o v ef o u rt e s tm o d e l s ，i nt h en o r m a l s t a t e m e n t ，c h a r g i n gt h es l e wr a t eo ft h eo u t p u ts i g n a lo ft h ei oi st h eb e s t 上海大学硕上学位论文 m e t h o do fo t h e rm e t h o d s a tt h es a m et i m e ，u s i n gt h ei c e mm o d e lt o c a l c u l a t et h es i z eo ft h ed e c o u p l i n gc a p a c i t o r , a n dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n , t h e p l a c e m e n tf a ra w a yt h ep a di st h eb e s tp l a c ef o rr e d u c i n gt h eg r o u n db o u n c e 4 b ys i m u l a t i n gt h et e s tc h i pi n c l u d i n gt h ea b o v ef o u rt e s tm o d e l s ，t h em o d eo f m o d u l a t i o nf r o mt h ec l o c ks i g n a lt ot h el n ai st h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n a n dt h em o d eo fm o d u l a t i o nf r o mt h el n at ot h ec l o c ks i g n a li st h e a m p l i t u d em o d u l a t i o n k e yw o r d ：e m c ，d i f f e r e n c es i g n a lo u t p u t ，i n t e r l a c es i g n a lo u t p u t ，g r o u n db o u n c e ， s u b s t r a t ec o u p l i n g v i i 上海大学硕上学位论文 原创性声明 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。 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己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 上海大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 选题的目的及研究意义 目前各国对电子产品的电磁兼容都有一定的标准，因为较高的电磁辐射和电 磁干扰，不仅影响周边器件或是电路系统的正常工作，而且会对产品使用者的身 体也会带来损害。我国也相继出台了电子产品的电磁兼容性的检测标准( 即：3 c 标准) 。现在很多国内的电子设计公司都在自己的部门中增添了3 c 部门，致力 于电子产品的电磁兼容( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 设计。大量的实 践表明在电路设计阶段就考虑e m c 性能，其产品的成本比后期制造好后发现问 题了再考虑e m c 设计要低得多，如图1 所示。 将 餐 疃 艇 产品设 产品设 计前考 计过程 虑e m c 中再考 虑e m c 7 问题 问题 。 考虑e m c 设计的时期 图1 1 产品成本和考虑e m c 设计的时期的关系 而上述的e m c 设计考虑仅仅处于系统级层面，即印刷版级的考虑 ( p d n t c i r c u i t b o a r dl e v e l ，p c bl e v e l ) ，但是随着微电子技术的飞速发展，集成 电路的制造工艺已从超贬微米进入到纳米阶段，加工芯片的特征尺寸进一步减 少，越来越多的功能，甚至是一个完整的系统都能够被集成到单个芯片之中，系 统芯片( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 技术应运而生，系统芯片的实质就是超大规模混 合信号集成电路设计。毫无疑问，s o c 技术必将成为未来集成电路设计的发展 趋势。然而，随着混合信号工艺的改进，数字电路时钟达到几百兆甚至几十亿赫 上海大学硕士学位论文 兹，以及模拟电路和射频电路模块与数字模块以相同的c m o s 工艺集成到一起， 混合信号集成电路的信号完整性问题变得日益严重，e m c ( 电磁兼容性) 问题 已经不能单靠原来系统级e m c 设计就能解决的了，所以e m c 问题已经由系统 级上升到芯片级。因而，从芯片层面上对混合信号集成电路的e m c 问题进行研 究就显得尤为重要。 混合信号集成电路e m c 问题的研究是一个相对较新的学科，尽管对于电子 系统及子系统已经有了详细的标准和辐射参考标准，但对于在这些系统中应用到 的集成电路来说却是一个空白。附属于国际电工委员会( i e c ) 负责集成电路方 面研究的机构w g 9 正致力于研究集成电路电磁兼容性描述的两项标准：i e c 6 1 9 6 7 1 】和i e c6 2 1 3 2 2 1 ，其中i e c6 1 9 6 7 描述的集成电路的电磁辐射，i e c6 2 1 3 2 描述集成电路的电磁抗干扰度，用不了多久，这些标准都将得以执行。目前，我 国已对电子设备和系统产品制定了相关的电磁兼容性标准g b 系列，但对集成电 路的电磁兼容性标准还尚未制定，各集成电路设计公司在设计芯片时要么参考 i e c 的标准，要么经验性的套用系统级产品的标准，或者根本就不考虑e m c 问 题。但是毕竟芯片内的环境与板级的环境还是有很大的区别，例如，两模块的距 离拉近，共用同一低阻衬底等等，芯片级的e m c 问题除了和本身的电路结构有 关，还与其外围部件有很大的关系，如封装等等。 尽管混合信号集成电路的e m c 问题涉及到芯片设计、制造、封装等多个环 节，但对芯片设计者来说，最最关键的是如何在标准工艺和普通封装条件下设计 出低电磁辐射和高抗干扰度的集成电路。混合信号集成电路的e m c 问题已成为 一个非常重要的课题，如果不对集成电路电磁辐射及抗干扰度方面进行深入研 究，就很难满足电子设备电磁兼容性方面的需要。而且，随着工作频率及r f 电 路嵌入，使得芯片内部的环境更加复杂，具有低电磁辐射、高抗干扰度和强自兼 容的混合信号集成电路设计将越来越演变成挑战性的课题。 1 2 国内外研究概况 国内外对集成电路的e m i e m c 的设计研究主要从五个方面进行研究：集成 电路e m i e m c 的标准、集成电路的e m i e m c 模型、s o c 的e m c 研究、集成 电路e m i e m c 的设计向导和集成电路e m f e m c 的应用。 2 上海大学硕上学位论文 1 2 1 国外研究概况 国外对集成电路的e m i e m c 研究始于1 9 6 5 年，美国军方为了能使电子器 件在核爆后的强电磁环境下正常工作，对集成电路的e m c 问题进行了研究。这 里我们主要简单的介绍一下1 9 9 7 2 0 0 1 的一些有关集成电路的e m i e m c 的重大 研究突破。 ( 1 ) 1 9 9 7 年s l a t t e r y 做了一个很有趣的比较研究，研究对象分别是8 位和 1 6 位的微控制器，描述了技术工艺的变化，封装和温度对辐射频谱的影响【3 1 。 ( 2 ) 1 9 9 8 年r o b i n s o n 比较了不同逻辑电路家族的辐射发射强度。他将一根 天线放于离测试板3 米处，所用的测试逻辑电路为简单的反向器和与q l - j ，而这 些电路分别用不同逻辑家族：a c t ( 增强型c m o s t t l ) 、f c t ( 快速c m o s t t l ) 、 h c ( 高速c m o s ) 和h c t ( 高速c m o s t t l ) 【4 1 。 ( 3 ) 1 9 9 8 年j o n g h o o n 通过用t e m 单元测试方法分别对加了去偶电容和未 加去偶电容的处理器进行研究。得出加了片内去偶电容比未加和片外去偶电容在 抑制电磁辐射上有明显的优势【5 1 。 ( 4 ) 2 0 0 0 年s t e i n e c k e i 6 】和v a nw e r s h o v e n t 7 1 分别在自己的实验室里研究了嵌 入的去偶电容对降低电磁反弹有很大的帮助，所用的电容取值的范围是1 - 5 0 n f 。 同年v a nw e r s h o v e n 也研究了有源回转率控制也能很好的降低辐射发射。这一年 韩国人k i ms o o - h y u n g 分析了吸收材料的影响，例如铁环氧材料( 磁珠的主要 材料) ，利用这种吸收材料，能对谐波降低3 - 2 0 d b ，尤其对超过3 0 0 m h z 以上的 谐波嗍。 ( 5 ) 2 0 0 1 年根据日本人t a k a h a t a 在1 9 9 9 年提出的基于电源阻抗的电路设 计模型，发展了一种标准模型i m i c t 9 1 。 当然在2 0 0 1 年以后，也做了很多的研究，例如2 0 0 2 年的i e c6 2 0 1 4 3 t l o 】关 于集成电路的电磁模型( i n t e g r a t e dc i r c u i te l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ym o d e l ， i c e m ) 的规范。2 0 0 4 年p a n y a s a c k 1 1 】提出了一种电流平滑的方法，作者利用这 种方法与异步电路设计结合使得电源电流相比传统的方法降低了将近1 2 d b 。各 大公司也在其芯片设计中考虑了低发射设计，例如：美国国家半导体( n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r ) 在芯片c o p 8 s a 1 刁中加入低e m i 时钟电路，渐进开关的输出驱 动( g t o s ) 和内部厶平滑滤波器。a n a l o gd e v i c e s 在其芯片a d a u l 3 2 x 1 3 】系列 3 上海大学硕士学位论文 中的a d 和d a 转换器用类似- 的结构来降低e m i 。 关于集成电路电磁干扰模型，这几年国外也做了很多这方面的研究。集成电 路的发射主要包括两种：传导发射和辐射发射。由此而产生的干扰噪声主要有以 下三个源头：第一也是最主要的是内部的转化开关电流在电源和地线以及引脚上 传导；其次的源头是发生在芯片i o 接口的信号传输而产生的传导噪声；最后由 于较大的电流流过过长的电源线和长电源线上电压波动而使得电源线有天线的 作用，直接对外辐射。所以对i c 的e m e ( 电磁发射) 的建模主要从两个角度来 进行，分别为：集成电路的电源网络传导分析和电流流过电源线的辐射场的分析 模型。前人对集成电路电源网络模型建立主要有两种i c e m 模型和i e c c s ( 线型 系数电路和电流) 模型【1 4 1 。这两个模型在结构上很类似，唯一区别是i e c c s 模 型用一线性阻抗模型代替i c e m 中的r l c 的非线性阻抗，具体两个模型比较将 在第三章中给出。电流流过电源线的辐射场的分析模型的建立主要是通过结合电 路实际的几何模型和电路结构，求解m a x w e l l 方程。所以利用数字电磁学的研究 结果，目前电源线的辐射模型建立方法主要有：有限差分时域法f d t d ( f i n i t e - d i f f e r e n c et i m e d o m a i n ) 1 5 1 、有限单元法f e m ( f i n i t e - e l e m e n tm e t h o d ) t 1 6 1 、部分单元 等效电路p e e c ( p a r t i a le l e m e n te q u i v a l e n tc i r c u i t ) 和矩量法m o m ( m e t h o do f m o u n t ) ，除此之外还有多极散射法【1 7 】和基于m a x w e l l b o l t z r n a m 分布利用导体体 积和激励信号特征来获得辐射发射模型【1 8 】。由于物体的辐射强度与其物理形状有 很大的关系，所以目前统一的电源辐射模型还在建立中。 在e d a - e 具方面也取得了很大的进展，如a g i l e n t 的先进设计系统( a d v a n c e d d e s i g ns y s t e m ，a d s ) 。法国国立应用科学学院( 简称：i n s a ) 开发出的i c e m c 工具，主要用于检测所设计集成电路从所设计的电路到集成电路封装对电磁辐射 ( 包括传导发射和2 d 的近场辐射强度) 和电磁灵敏度的贡献，其中该软件还包 括了很多实用工具，如i c e m 模型生成器，i b i s 模型等等，如图1 2 所示。2 0 0 7 年，i c e m c 1 9 】已经升级到1 5 4 版本，但该软件还只是用于研究学习所用，还没 有出商业版本，可是这是目前为止一款真正意义上的集成电路e m c 设计软件。 当然e d a 软件巨头c a d e n c e 也将开始进入i ce m c 的研究队伍中，由于其 拥有强大p c b 板级的信号完整性分析的基础，所以也加速了i ce m c 专用软件 的开发。同时还有其他的软件公司也研究i ce m c 问题，如美国安湃软件公司。 4 e 太学碰学位论空 2 2 国内研究概况 图i2 i c - e m c 附加工具 目前国内在这方面还没有太多的究破，大多的文章只是介绍性的论文，其中 西安电子科技大学对混合信号的自兼容问题的衬底模型做了一定的总结【2 州。而台 湾在i c e m c 方面大多关注测试方法的研究，如b s m i 等。 1 3 论文的主要研究内容 论文计划从电路设计和版图设计的层面入手，对混合信号集成电路的e m c 问题进行深入研究，并提出相应的改善芯片e r i c 性能的解决方案。 论文的研究内容包括两个部分，第一部分是设计一款专门用于分析混合信号 集成电路e m c 特性的测试芯片；第二部分是设计一个安装e m c 测试芯片的e m c 测试评估系统，该系统应能将不同的e m c 效应区分并单独测量，以便于测试结 果的分析和对比。具体内容如下： ( 1 )定量分析芯片内部低频数字信号与r f 信号之间的互调及电容偶 合对芯片e m i ( 电磁干扰) 性能的影响。 ( 2 )研究差分输出信号和交错( 有一定延时) 输出信号的e m c 特性。 ( 3 )定量分析输出驱动信号的回转率控制和上升斜率控制对芯片 e m c 性能的改善状况。 ( 4 )评估片内地线反弹及电源线偶合对e m c 性能造成的影响。 ( 5 )研究和评估改善芯片e m c 性能的版图设计技术，比如合理的布 5 上海大学硕士学位论文 局和电源线、地线连接方式和片内去偶等等。 ( 6 )e m c 模型的建立与仿真方法。 1 4 研究创新点和技术关键 本课题可能的创新点有以下两个方面： ( 1 )定量评估影响混合信号集成电路e m c 性能的几个主要因素，比 如低频数字信号与r f 信号的互调制、地线反弹、寄生电容与电 源线的偶合、输出信号的回转率和上升速度等。 ( 2 )获得改善芯片e m c 性能的具有预见性的、比较系统的电路设计 方法。 本课题的技术关键是测试芯片的设计，同时这也是本课题的重点和难点。为 了实现上述研究目标，e m c 测试芯片不仅要具有各个研究对象所对应的功能模 块，而且考虑到测试结果的准确性和可比性【2 l 】，测试芯片还必须具备在不改变测 试环境和测试装置的条件下，能够通过软件可编程的方式切换芯片内部各个功能 模块的工作模式。 根据以上要求，拟设计的测试芯片的结构如图1 3 所示，主要由以下几个功 能模块组成： ( 1 ) 可控的输出对比模块。内部设计若干路输出通道，每个通道可在标准 输出( 无回转率控制) 和有回转率控制输出之间选择，此外，输出信 号还要能实现强度、上升斜率、延时、差分输出和极性的可编程控制。 该模块用来研究差分输出信号和交错输出信号的e m c 特性以及输出 驱动信号的回转率控制和上升斜率控制对芯片e m c 性能的改善状 况。 ( 2 ) 地线反弹评估模块。内部设计一组可控的缓冲器电路和开关控制的片 上解偶电容。用来评估片内地线反弹及电源线偶合对e m c 性能造成 的影响，以更好的了解反弹，了解普通模式电流是如何影响电磁辐射 的。 ( 3 ) r f 模块。内部设计低噪声放大器和数字时钟微带线，数字时钟信号 的频率可控。用来分析芯片内部低频数字信号与r f 信号之间的互调 6 上海大学硕士学位论文 及电容偶合对芯片e m i 性能的影响。 ( 4 ) 信号产生和寄存器模块。由时钟发生器和移位寄存器构成，用以产生 各种实验所需的时钟信号和开关控制信号。 为了测试结果的准确性和可比性，测试评估板要设计的尽可能合理和便于测 试。解决的方法是将评估板设计为多层板，一端安装被测芯片，另一端为可选择 的接口端子，在p c b ( 印刷电路板) 上用一定长度的布线将芯片引脚引到p c b 板的另一端，需要测试的布线布在顶层以允许辐射，而其他布线( 如电源线、地 线等) 均布在中间层或底层以达到屏蔽的目的。另外，还要考虑在布线区和安装 芯片的区域之间设计合适的隔离环。 一畦钟值号缱 _ _ _ _ - - 柠i l 宣导垃 1 5 论文的结构安排 图1 3 测试芯片的内部结构图 论文的结构安排如下：第一章阐述了课题研究的来源、目的、意义以及国内 外研究的现状；第二章详细介绍测试芯片各部分的结构及电路设计；第三章阐述 了混合信号集成电路e m i e m c 的模型及本测试芯片的e m i 模型的建立；第四章 测量测试芯片结果，主要验证电路设计时的e m c 设计对芯片的e m c 问题是否 能得到改善；第五章总结全文及对芯片e m c 研究的展望。 7 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章测试芯片的描述 e m c 测试芯片不仅要具有各个研究对象所对应的功能模块，而且考虑到测 试结果的准确性和可比性，同时还必须具备在不改变测试环境和测试装置的条件 下，能够通过软件可编程的方式切换芯片内部各个功能模块的工作模式能正常工 作，并且应避免各个工作模式之间的干扰。根据以上要求，测试芯片由以下几个 模块组成：可控输出对比模块、地线反弹评估模块、r f 模块、信号产生和寄存 器模块。以下几节将分别叙述各个模块的设计。 2 2 可控输出对比模块 可控输出模块是利用控制信号，分别实现输出信号回转率( s l e wr a t e ，s r ) 可变、上升时间厶可变、信号差分输出、交错信号极性控制输出和标准输出五种 工作模式。可控输出模块研究输出信号回转率和上升时间对集成电路e m c 的影 响，又同时能研究差分、交错和正常标准输出三种输出对芯片e m c 的影响。 可控输出对比模块包括两个大模块，分别为工作模式选择控制模块和主电路 模块。工作模式选择控制模块是用于控制主电路的工作模式，分别为回转率可调 模式、上升时间可调模式、差分输出模式、交错信号极性控制输出模式和正常标 准输出；主电路模块要能使上述五种模式能正常工作，且相互不会干扰工作，即 能正确反应在各自模式下的独立性，使得在最后测量中的数据可比性。以下两节 将阐述两个模块的具体设计。 2 2 1 工作模式选择控制模块 根据上述分析，工作模式选择控制模块应该能够实现5 种模式的切换，所以 从开关控制模块输入的控制信号至少为3 位数字信号，表2 1 描述了输入信号与 工作模式的关系，其结构示意如图2 1 所示。 其中b i l 0 对应的是正常标准输出模式，b i t 一1 对应的是回转率可调模式，b i t 一2 对应的是差分输出模式，b i t 一3 对应的是上升时间可调模式，b i t j 对应的是交错 8 上海大学硕士学位论文 输出模式，输入信号i n 一0 ，i n l ，i n 一2 由测试芯片的开关控制模块给出，e n 用 于控制3 5 译码器的供电，当e n 为“1 ”时工作，反之就不工作。为了使工作模式 选择控制模块不会影响到主电路模块，这里采用组合逻辑电路来实现，避免了时 序电路中的时钟信号对主电路的耦合而产生的干扰，提高了测试芯片实验结果的 精确度。 表2 1 输入信号与工作模式的关系 工作模式 输入信号正常标准输出回转率可控差分输出上升时间可调交错输出 模式模式模式模式 模式 0 0 0l0o0o 0 0 10lo0o 0 1 00 0l00 o l l 0 00lo 1 0 00 o0ol 其他 0000 0 备注：0 表示：不工作；l 表示：工作；其他表示：1 0 1 、1 1 0 和1 1 1 2 2 2 主电路模块 图2 1 工作模式选择控制模块结构图 主电路模块的主要功能是实现上述五种工作模式，所以主电路模块包括开关 组模块和五个子模块( 分别用于实现上述五种工作模式) ，控制信号已经由上面 给出即：b i t0 、b i t1 、b i t2 、b i t3 和b “4 。以下将介绍开关组模块和五个子模 块的电路设计。 9 上海大学硕士学位论文 2 2 2 1 开关组模块 开关组模块用于控制各个子模块的工作与不工作，有两种方法可以供选择， 一种是电源的开关控制，另外一种是输入信号的控制。前者虽然可以控制芯片的 功耗，但是由于开关电路会产生一定的压降，如果在实际制造过程中各个开关不 可能做的一模一样，所以会使的各个模式下各自工作的电源有一定不匹配性，所 以使得测试芯片的可比性降低。所以这里我们使用后者的方法输入信号控 制，电路结构如图2 2 所示。 图2 2 开关组模块电路图 2 2 2 2 回转率s r 控制模块 回转率s r 是描述输出电路的大信号特性，其简单计算式如式2 1 所示( 单 位为v s ，) ， 欧二 ( 2 1 ) 、， l 工 其中，为输出端的工作电流，q 为输出负载电容。控制回转率可以通过控制输出 端的工作电流和负载电容来实现，本文利用控制工作电流来控制回转率s r 。回 转率控制模块如图2 3 所示。 当输入i l l 从1 专o 的时候，m 4 逐渐开启，使a 点的寄生电容c 电压值升高， 当a 点的电压上升到场( 见式2 2 ) 的时候，m 5 打开，对输出负载电容q 充电， 充电时间由m 5 管子的电流来决定，即由m 5 管子的尺寸和栅电压来决定。而 m 5 的栅电压由m 6 、m 2 和m 3 组成的镜像电流源来决定，从而实现控制镜像电 流源的电流来控制输出负载电容上面的电流值( 即改变电阻r 的值) ，从而改变 输出端的回转率s r 。上述工作方式的等效电路如图2 4 所示。 1 0 上海人学硕士学位论文 v o = 名，+ l i ( 2 2 ) 其中v 9 5 表示m 5 管的栅电压。同理通过分析m 0 和m 1 来解释当输入信号 从1 - - ) 0 的翻转的时候改变输出端的回转率s r 的原理。 图2 3 回转率控制电路 v d d 图2 4 回转率控制电路工作的等效电路( 输入1 - - ) 0 的跳变) 2 2 2 3 上升时间控制模块 上升时间控制模块是通过调节输入信号的上升时间来观察电磁发射强度的 上海大学硕士学位论文 变化的模块。此模块提供了4 个不同值的电容来改变上升时间，电路结构如图 2 5 所示。 f n = l 竺卜卜咖卜 b i tl 沙 沙 c 。土 y v c ll 岛卜喙 一 2 - 4 译码电 yl 一l y c 2 rh 路 h o ? v c l 2 v d2 e n bn r 、 聃n一 b “ov c ，； l 一 t v c o v d3 肿心r 、 哪n 图2 5 输入上升时间控制模块电路图 其中v c l0 ，v c lj ，f c l2 和v c l3 用于控制各个通道的工作，4 个控制信号 都是“o ”时关断；“1 ”时开启。为了减少控制信号数，添加一个2 - 4 译码电路，其 控制真值表如表2 2 所示。 表2 - 22 - 4 译码电路控制真值表 2 2 2 4 差分输出模块 差分信号是驱动端发送两个等值、反相的差分信号，接收端通过比较这两个 电压的差值来判断逻辑状态“0 ”还是“l ”。现在广泛应用的是低压差分驱动( l o w v 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 ) 。设计电路分两部分，一部分为单级信号转为差 分信号，如图2 6 ( a ) 所示；另外一部分为l v d s 驱动电路，而l v d s 电路结构根 据i e e e1 5 9 6 3 1 9 9 6 2 2 】关于l v d s 的设计标准来实现，如图2 6 ( b ) 所示。 1 2 上海大学硕士学位论文 分 ( b ) 图2 6 ( a ) 单级信号转差分信号电路；( b ) l v d s 驱动电路 2 2 2 5 交错信号极性控制输出模块 交错信号是指两个信号并不是同步，而是有一定时间延时，致使原本同步两 个信号之间有一定的交错现象极性控制输出是根据两信号的交错来判断信号 的跳变情况，来控制输出的跳变【2 3 】。在等价于三态期间的静态期间，参考输出电 压值维持在v d d 2 。交错信号极性控制时序如图2 7 所示。 交错信号极性控制输出信号相比于正常输出信号的摆幅降低，从而使得输出 电流得到降低，理论上对降低i o 的传导辐射有一定的帮助，且当输出口位数越 多，降低的效果越好。根据图2 7 的时序图，交错信号极性控制模块的电路如图 2 8 所示。 1 3 上海大学硕士学位论文 。i 厂一弋i厂一 n 斟厂弋 一 燃 厂 r 器 门 输出端 电压 图2 7 交错信号极性控制时序 上拉控 图2 8 交错信号极性控制模块的电路 2 2 2 6 正常输出i 0 模块 一般输出i o 模块就是要输出的信号直接通过一个或是多个缓冲器输出。本 模块直接就是一个缓冲器( 由两个反相器组成) ，本模块就不加详说。 1 4 上海大学硕士学位论文 2 2 3 可控输出对比模块总体设计 图2 9 可控输出对比模块总结构图 根据上述子模块，可控输出对比模块的总的结构和端口如图2 9 所示。由图 2 9 可知，原本可控输出对比模块有8 个控制信号端( 即：i n0 ，i n1 ，i i i2 ，e n ， v c l0 ，v c ll ，v c l2 和v c l3 ) ，一个外接电位器，一个输入信号端i i l 和5 个输 出端口( o u t i ，o u t 2 ，o u t 3 ，o u t 4 和o u t 5 ) 。其中当b i t4 为“1 ”时，控制信 号v e l0 ，v c l1 ，v c l2 和v c l3 才有效。为了减少控制信号，通过一个2 4 译 码电路，将v c l0 ，v c ll ，v c l2 和v c l3 减少为v ol 和v o0 。这样此模块 的控制信号端口有6 个( 即：i n0 ，i n1 ，i i l2 ，e n ，v o1 和v oo ) 。 2 3 地线反弹评估模块 地线反弹评估模块主要是为了评估片内地线反弹和电源线耦合对e m c 性能 的造成的影响，主要研究方向是电源地线上的电流强度i 的降低和片内去偶电容 c d e p 的大小和位置的选择。 根据数字集成电路的基础知识【2 4 1 ，任何个静态门电路都可以等效为一个反 相器，如图2 1 0 所示。 地线反弹评估模块设计了一组可控的缓冲器来模拟实际芯片内部正常工作 下的电源地线上的电流。这一组可控缓冲器有五部分组成，分别为：缓冲器模 块组( 不加任何解耦电容) 、缓冲器模块组( 片内靠近缓冲器加了e m c 设计考 虑的解耦电容c d e p l ) 、缓冲器模块组( 片内靠近缓冲器加低于c d e p l 的解耦电 1 5 上海大学硕士学位论文 容c d e p 2 ) 、缓冲器模块组( 片内靠近缓冲器加高于c d e p l 的解耦电容c d e p 3 ) 和缓冲器模块组( 片内靠近p a d 加于c d q ，l 等值的解耦电容c d e p 4 ) 。这五个部 分用于模拟芯片不同时钟工作频率对接地反弹的影响、去耦电容大小对接地反弹 的影响以及其位置对接地反弹影响，如图2 1 1 所示。而这五个模块又分别由开 关来控制各自模块工作与否。 与j 门 爿仁r 】 图2 1 0 与t l - j 和或t e l 1 等效为t 1 1 示意图 图2 1 1 去偶电容的两个放置位置 地线反弹评估模块的结构如图2 1 2 ( b ) 所示，此模块一共有5 个输入端口， ( 分别为c o n t r2 、c o n t r1 、c o n t r0 、e n 和i n ( 测试信号) ) 和5 对电源地输出 端日，其控制真值表如表2 3 所示，其中缓冲器模块组( 不加任何解耦电容) 为 模块l 、缓冲器模块组( 片内靠近缓冲器加了e m c 设计考虑的解耦电容c d e p l ) 1 6 七 七 上海大学硕士学位论文 为模块2 、缓冲器模块组( p c 内靠近缓冲器加高于c d e p l 的解耦电容c d e p 2 ) 为 模块3 、缓冲器模块组( 片内靠近缓冲器加低于c d e p l 的解耦电容c d e p 3 ) 为模 块4 和缓冲器模块组( 片内靠近p a d 加于c d e p l 等值的解耦电容c d e p 4 ) 为模块 5 。 表2 3 地线反弹评估模块的控制真值表 注：“o ”表示该模块不工作：“l ”表示该模块工作； 1 7 上海大学硕士学位论文 ( b ) 图2 1 2 ( a ) 缓冲器组模块；( b ) 地线反弹评估模块的总结构 2 4r f 模块 r f 模块是用来分析芯片内部低频数字信号与r f 信号之间的互调及电容偶 合对芯片e m i 性能的影响。因此，在r f 模块内部设计低噪声放大器( l o wn o i s e a m p l i f i e r , l n a ) 和数字时钟微带线。 2 4 1l n a 模块的设计 本文采用目前应用最广的低噪声放大器的结构，即：源简并电感型共源结构。 它是一种窄带放大器，利用源简并电感来得到具有正实部的输入阻抗，并可在功 耗受限的情况下得到较优的噪声性能。为了减小晶体管的密勒( m i l l e r ) 效应和 有限输出阻抗对放大器性能的影响，并提供良好的反向隔离性能，本文采用了共 源共栅结构的方法，低噪声放大器的结构【2 5 】如图2 1 3 所示。n m o s 管m 1 和m 2 的子电路模型如图2 。1 4 所示，以及各个参数计算见附录a 所示。 图2 1 3 源简并低噪声放大器结构 1 8 上海大学硕士学位论文 图2 1 4n m o s 的子电路模型 输入电感幻由封装键合线来实现，源简并电感厶利用片上电感实现，负载 为l c 谐振阻抗，其中的电感也用片上电感实现。片上电感的模型如图2 1 5 所示， 其电路模型参数的具体实现方法见附录a 。本论文的低噪声放大器的具体电路如 图2 1 6 所示，具体参数如表2 4 所示。 星一| h 嘎沪卜o h m 吣舯 c “l n i 图2 1 5 片上电感等效电路 至 t 毒 图2 1 6 l n a 具体电路图 1 9 上海大学硕士学位论文 2 4 2 时钟微带的模型设计 低频数字时钟信号对r f 模块的干扰，主要通过二种途径 2 6 1 ，途径一：相互 之间平行传输而造成的相互之间的电容干扰，如图所示2 1 7 ( a ) ；途径- - 通过 衬底的相互传导干扰，如图所示2 1 7 ( b ) 。第一种情况可以通过增加相互之间的 距离，或是分离信号走线的层次，来避免相互之间的电容耦合。而后者的相互之 间的传导干扰是不可避免的，所以本文主要研究衬底的相互传导干扰。 如图所示2 1 7 ( b ) ，衬底( 假设衬底采用p 衬底结构) 的相互干扰有以下三 种方式，分别为：通过n m o s 的漏端p n 结注入( 方式一) 、通过n m o s 的栅电 容的注入( 方式- - ) 和通过p m o s 的阱电容注入( 方式三) 。根据表2 4 的工艺 分析，栅电容是最大的耦合电容，所以本文主要研究n m o s 栅电容的耦合注入， 而在确定工艺下的总耦合栅电容的大小主要由两个因数来决定，分别为单个标准 单元的栅面积出和同步翻转的门数y 。由于一般情况下单个标准单元的栅面积 是确定的，故总耦合栅电容主要和同步翻转的门数, 有关。 r