（电路与系统专业论文）信号完整性仿真自动化设计和多线程技术研究.pdf

摘要 随着时钟频率的提高，确定和解决信号完整性问题己越来越关键，这就要求 设计人员对大量的、多条件的和多类型的网络进行仿真分析，而现有的信号完整 性仿真工具在仿真自动化和智能化方面都有一定欠缺，对设计人员的依赖性太高。 本文提出了一种针对c a d e n c e 的信号完整性仿真自动化的实现。它可以对p c b 板 上的任意多个网络在不同条件下进行仿真，对仿真结果信息收集和整理，并自动 输出仿真报告。 论文首先介绍了信号完整性的相关概念，简要分析了基于c a d e n c e 进行信号完 整性仿真的流程，并在此基础上提出了仿真自动化软件的总体设计，接着对各模块 的实现进行了详细说明。同时，对软件开发中用到的若干关键技术进行了详细的描 述，其中包括多线程程序设计技术和o l e 自动化技术。最后，对仿真自动化平台 的成果进行了展示，并提出了一些新的构想。 关键词：信号完整性仿真自动化多线程 a b s t r a c t w i t he v e nh i g h e rc l o c kf r e q u e n c ya n de d g er a t e t of i n da n ds o l v es i g n a li n t e g r i t ) p r o b l e m si nh i g hs p e e dd i g i t a lc i r c u i th a sb e c a m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t al a r g e r n u m b e ro fn e t sw i t hm u l t i p l ei n t e r c o n n e c t i o n sr e q u i r e dt ob es i m u l a t e du n d e rm u l t i p l e c o n d i t i o n s h o w e v e r i n e f f i c i e n c i e se x i s ti nm o s ts i g n a li n t e g r i t ys i m u l a t i o nt o o l s a xa f f a b l e s i m u l a t i o na u t o m a t i o na n dd a t ap r o c e s sa r en o ti n t e l l i g e n te n o u g h t h e s e t o o l sa r et o od e s i g n e rd e p e n d e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，as i g n a li n t e g r i t ys i m u l a t i o n a u t o n l a t i o nt e c h n i q u eb a s e do nc a d e n c ei sp r o p o s e d a n 3 , n u m b e ro fn e t si nap r i n t e d c i r c u i tb o a r dc a nb ea n a l y z e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s s i m u l a t e dr e s u l t sa r e c o l l e c t e da n dp r o c e s s e d a n dt h er e p o r t sa r ep r i n t e da u t o m a t i c a l l y as i m p l i f i e di n t r o d u c t i o no fs i g n a li n t e g r i t yi sm a d ef i r s t l y s i m u l a t i o na u t o m a t i o n n o 、b a s e do nc a d e n c ei sd i s c u s s e d 1 h e nt h eh i g hl e v e ls t r u c t u r eo fa t i t o m a t i o n s i m u l a t i o ns o f i 聃a r ei sd e 、e l o p e d 1 n l p l c l l l e n t a t i o n so fe a c hm o d u l ea r ed i s c u s s e di n d e t a i l f u r t h e r m o r e s o m ec r i t i c a l t e c h n i q u e si n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o na m o n g m u l t i t h r e a d i n ga n do l ea u t o m a t i o nt e c h n i q u ea r ea l s od i s c u s s e di nd e p t hf i n a l b s o n l es i m u l a t e dr e s u l t so ft h es 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 ma r e p l e s e n t e d a n ds o m en e 、 i d e a la r ep u tl b r w a r d k e ) 、o r d ：s i g n a li n t e g r i t y s i m u l a t i o na u t o m a t i o n m u l t i t h r e a d i n g 声明 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：也不包含为获得西安电子科技大学或 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：她 日期 幽! 血星 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：鲨2 12 ，压 日期：趔陟 绪论 绪论 随着高速电子系统时钟频率的迅速提高和信号边沿翻转速度变快，p c b 的印制 线互连和板层特性对系统电气性能的影响也越来越大。对于低频设计，印制线互连 和板层的影响可以不考虑，当频率超过5 0 m h z 时，印制线互连往往需要作为传输线 来处理，而在系统设计时也必须考虑p c b 板层的电气参数。因此，高速系统设计， 尤其是p c b 进行板级和系统级设计时，必须面对互连延迟所引起的时序问题以及串 扰、传输线效应等信号完整性问题。 高速p c b 的设计技术是大型电子系统设计面临的难题之一。本课题所丌展的 p c b 板级信号完整性问题的研究，是工程实践的需要，也是电子设计技术的一个研 究热点。 在一个己有的p c b 板上分析和发现信号完整性问题是一件 常刚难的事怕j ，即 使找到了问题，在一个已成形的p c b 上实施有效的解决办法也会花费人荦财力和物 力。在p c b 设计时，希望能够在物理设计完成之前查找、发现并在电路设计过程中 减小或消除板级信号完整性问题。仿真工具可以根据实际物理设计中的各种参数， 对电路中的板级信号完整性问题进行深入细致的仿真与分析。 目前，在e d a 领域中，针对各种信号完整忭问题的设计工具很多，比如c a d e n c e 、 m e n t o r 、a n s o f i 等公司都有各自的信号完整性仿真1 二具，对信号完整性问题的例币 点都有所不同。但这些公司的信号完整性仿真工具的仿真过程自动化和智能化程度 不高，对设计人员的依赖性很高。对于一个p c b 的信号完整性仿真，设讨人员需要 在e d a 仂真分析工具中对数百个网络进行仿真，而每一个网络都需要在不同的条 件下进行多次仿真，然后对不同条件下的仿真结果进行分析比较以解决信号完整性 问题。而在这整个过程中都需要人机交流，且在仿真完成后，设计人员还需要花费 很多精力去编写仿真分析报告，这造成人力资源的很大浪费。 在这些情况下，设计人员急需一些基于现有的信号完整性工具的辅助工具，以 改变整个仿真的流程，提高仿真的自动化，同时也需要对大量的仿真结果进行一定 的处理。本文提出了一种针对c a d e n c ee d a 的仿真自动化的方案，让所有的仿真条 件设霄操 1 一都集中到每次仿真任务的最开始，让所有的分析工作都翻到仿真仟务的 j i 束后，中阃f r j 仿真过程不再需要人工下预，实现了自动仿真、门动输 i 仍真报告。 返丰丫就i j r 以把设计人员从重复性：f = 作中解放出来，让他们把更多的时问花在分析年 解决信i ，先整忖l u 题上，提高了效率。 本文t 点介绍了信号究移竹f f l k t 关卿论、仿真自动化软f ，l 的总体殴i l 和软r l 的 信号完整性仿真自动化设计和多线程技术研究 关键模块及其相关技术。 论文共分为五章： 第一章：高速数字p c b 中的信号完整性问题 介绍了信号完整性的相关理论，其中主要介绍了传输线理论和s i s a 2 0 仿真自 动化软件所针对的信号完整性中的反射问题。 第二章：基于信号完整性分析的p c b 设计方法及仿真流程 介绍了一种基于信号完整性分析的p c b 设计方法和在c a d e n c e c o 利用a l l e g r o 进 行信号完整性仿真的流程。 第三章：仿真自动化软件的总体架构和各模块分析 主要是通过在c a d e n c e q b 利用a l l e g r o 进行信号完整性仿真的流程提出仿真自 动化软件的总体设计，然后进行功能划分，针对各模块进行相关的实现分析，并 介绍主要的数据结构。 第四章：仿真自动化软件中应用的部分关键技术 主要介绍了仿真自动化软件中用到的多线程技术和o l e 自动化技术。对这些 技术进行介绍，同时结合软件给出了实例分析。 第五章：仿真自动化软件的开发成果展示 主要对仿真自动化软件实现的功能进行了列举，并对进一步的开发进行了展 望。 在论文的结束部分，对整个课题的研究工作做了总结。并在附录部分列出了仿 真自动化软件的部分测试报告。 第一章高速数字p c b 中的信号完整性问题 第一章高速数字p c b 中的信号完整性问题 1 1 信号完整性和信号完整性问题的分类 信号完整性( s i g n a li n t e g r i t y ，简称s d 指的是信号在电路中能够以正确的时序和 电压做出响应的能力【1 i 。当电路中信号能够以要求的时序、持续时问和电压幅度到 达接收端的集成电路芯片时，我们就说该电路具有较好的信号完整性。反之，当信 号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。 信号完整性问题的表现方式有很多。关于信号完整性问题的分类，p c b 设计业 界以及学术界都存在着不同的区分方法。在有些文献和产品中将信号完整性问题只 定义为信号反射和振荡；有的还包括了振铃、地弹、串扰等问题；而更多的则是将 信号完整性和电磁兼容干扰作为二个独立的问题来讨论。其实所有这些问题在广义 上讲都是属于信号完整性问题的范畴【2 1 。 在本文中，我们将广义上的信号完整性问题划分为5 个方面来讨论，即：延迟 ( d e l a y ) 、反射( r e f l e c t i o n ) 、串扰( c r o s st a l k ) 、同步切换噪声( s s n ) 和电磁兼容干扰 ( e m i ) t 5 1 。 1 1 1 延迟( d e l a y ) 延迟是指信号在p c b 板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端到达接收端 的传输延迟。信号的延迟会对系统的时序产生影响，在高速数字系统中，传输延迟 主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。 下面先来看一下公式： 信号的传导速度v ，信号在单位长度传输线上的传导延迟时间p d ( 单位为s m ) ， 以及信号在一条具体的传输线上的传导时间延迟t d ( 单位为s ) 的计算公式如下： v = c 占r ”2 ( 1 - 1 ) p d = 1 v = “2 c( 1 - 2 ) t d = ( 碍叩) c = ( 工c ) “2( 1 3 ) 其中c 是真空中的光速( 3 x 1 0 8 m s ) ：上是传输线上总的串联电感：g r 是传输线 周围的等效介电常数；x 是传输线的长度；c 是传输线上总的并联电容2 2 1 。 从以上的公式中可以看出，信号的传导延迟只取决于导线的长度和导线周围介 质的介电常数，而与信号本身的频率无关。但我们同时还看到，信号的上升下降时 问越短，或者p c b 导线的传导延迟越大，导线就越容易表现出传输线效应。对于一 4 信号完整性仿真自动化设计和多线稃技术研究 个上升下降时间为z 的数字信号，其对应的上升下降边沿长度上( 单位为m ) 是： l = z p d( 1 - 4 ) 在低速系统中，传导延迟一般都可以忽略不计，这是因为这种系统中的三足够 大，在这种情况下，发送端和接收端的信号状态几乎能够保持一致【3 l 。但是在高速 系统中，当时钟速率和信号的上升下降时| 日j 加快时，这时三变短，从而引起的发送 端和接收端信号状态差异变大；而同时系统所允许的信号建立时间和保持时间都变 短了。总的来说，在高速系统中信号的传导延迟将会对系统的时序( t i m i n g ) 产生重 大影响。 1 1 2 反射( r e f l e c t i o n ) 反射就是在传输线上的信号回波。当信号从一个发送端发出经传输线传导并到 达接收端后，如果信号功率( 电压和电流) 没有完全被接收端接收，而是有一部分沿 着与原来的传输方向相反的方向往发送端传输时，就发生了信号反射。除了在接收 端会有反射外，信号在任何阻抗不连续的地方都会发生反射【2 2 】。 衡量信号反射程度的系数称为反射系数p ，其计算公式如下： p = k ，= ( 互一z o ) ( 互+ z j ) k 嘶“= p m = m ( z | 一z o ) ( z ，+ z o ) 其中，p 乙。为反射电压，p 如细为入射电压，z o 为传输线的特征阻抗， 阻抗不连续处的输入阻抗。 ( i - 5 ) ( i - 6 ) 互为 虽然在上面的分析中只要使负载反射系数或源反射系数二者任意一个为零，反 射就能被消除。但是从系统设计的角度看，应首选并联端接。因为并联端接是在信 号能量反射回发送端之前在负载端就消除反射，即消除一次反射，这样可以减小电 磁兼容性干扰( e m d i m 。而串联端接则是在发送端消除由负载端反射回来的信号，只 是消除二次反射，所以当信号在发送端发生状态切换时，发送端仍然会出现持续的 反射波形。理想的情况是当z 。= z 0 = z f 时，即各点均处于临界阻尼状态，所有的阻 抗都是连续的，不会发生任何反射。信号的能量一半消耗在发送端内阻z 上，另一 半消耗在负载端电阻互上( 传输线无直流损耗) 。但是从系统设计的角度来看，临界 阻尼情况很难满足。因为在p c b 上，传输线的几何形状、电源层或接地层的分割和 分布，以及信号连接中的接插件等因素均会导致传输线上的阻抗不连续。而发送端 i o 通常在高电平和低电平也具有不同的z 。所以最为可靠和适用的方式是让信号传 输有轻微的过阻尼，因为这种情况没有能量反射回发送端。 1 1 3 串扰( c r o s st a l k ) 串扰是指当信号在传输线上传播时，通过电磁耦合对相邻的传输线所产生的不 期望的噪声干扰。串扰发生在两种不同的情况中：互连线为均匀传输线时和互连线 为非均匀传输线时。 第一章高速数字p c b 中的信号完整性问题 串扰是由电磁耦合形成的，而耦合分为容性耦合和感性耦合两种1 6 l 。 由于在p c b 上任何两个器件或导线之间都会通过电场而耦合起来，即它们之间 存在互容( m u t u a lc a p a c i t a n c e ) 巳。当干扰源( a g g r e s s o r ) 上的电压发生变化时，干扰 源将通过互容向被干扰对象( c t i m ) 注入一个噪声电流l 。一： 一c - = g d 。d r ( 1 - 7 ) 这种由容性耦合引起感应电流从而导致的电磁干扰，将会在被干扰对象上产生容性 耦合噪声信号。 同时，由于p c b 上任何两个器件或导线之间还会通过磁场而耦合起来，即它们 之间存在互感( m u t u a li n d u c t a n c e ) l 。当干扰源上的电流发生变化时，干扰源将通 过互感向被干扰对象注入一个噪声电压k 一一： k 一= 厶+ 犯d t ( 1 - 8 ) 这种由感性耦合引起感应电压从而导致的电磁干扰，将会在被干扰对象上产生感性 耦合噪声信号。 所以串扰是两条信号线之间通过互感和互容的耦合而引起的容性噪声电流和感 性噪声电压的总和。与延迟、反射等信号完整性问题不同的是，当p c b 上的两个导 体或传输线上的信号都在变化时，这两个导体或传输线都会通过互容和互感使对方 产生耦合噪声，因此这两个导体或传输线都既是干扰源又同时是被干扰对象。在p c b 中，受干扰源产生串扰影响的有时不止是一条邻近线路，而是周围众多的线路；反 过来，被干扰对象将受周围众多干扰源产生的串扰影响。 当噪声源传输线上的电压变化通过互容耦合到被干扰对象传输线上时，被干扰 对象传输线上的容性噪声电流将一分为二分别向靠近噪声源发送端的方向( 称为近 端n e a re n d ) 和远离噪声源发送端的方向( 称为远端f a re n d ) 传输2 0 】。而当噪声源传输 线上的电流变化通过互感耦合到被干扰对象传输线上时，被干扰对象传输线上的感 性噪声电流却总是沿着与噪声源信号电流相反的方向传输。因而被干扰对象的近端 串扰( 又称后向串扰b a c k w a r dc r o s st a l k ) 电流k 和远端串扰( 又称前向串扰f o r w a r d c r o s s t a l k ) 电流，分别为： i 。= i c + i h t 1 - 9 ，加= ，加一c - 一k ( 1 - l o ) 对于紧邻着理想地平面的内层传输线( s t r i pl i n e ) ，由于它对于感性耦合和容性耦合 有着很好的平衡，因此感性耦合与容性耦合产生的电流大小相等、方向相反，从而 使得远端串扰，。相互抵消，而近端串扰相对加强。而对于表层传输线( m i c r o s t r i p ) ，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。由此可见，串扰还和方向以及传输线所在的布线层有关。 6 信号完整性仿真自动化设计和多线稃技术研究 此外，串扰也与传输线之间的问距及平行走线的长度有关：传输线之间的互容 和互感将随传输线间距的增大而呈指数规律衰减；传输线之间的互容和互感将随传 输线平行走线的长度成正比变化。 在高速数字p c b 中，过大的串扰将引起电路中信号畸变、系统时序错误，导致 系统无法正常工作。因此随着电子工程师不断把设计推向技术与工艺的极限，对串 扰问题进行有效地分析和控制会变得越来越重要。 l ，1 4 同步切换噪声( s s n s s 同步切换噪声( s i m u l t a n e o u ss w i t c h i n gn o i s e ，简称s s n ) 或同步切换输出噪声 ( s i m u l t a n e o u ss w i t c h i n go u t p u tn o i s e ，简称s s o ) 指的是当p c b 上的众多数字信号( 例 如地址总线、数据总线等1 同时进行状态切换时，由于电源线和地线上存在阻抗所引 起的感性噪声。 在有些情况下，单独的一个信号或少数几个信号单独进行状态切换时( 如由高电 平变为低电平，或由低电平变成高电平) ，信号可以保证具有良好的完整性。但是当 总线上的所有信号一起作切换时，信号却出现了问题。 通常很难对同步切换噪声进行量化分析，因为它主要取决于系统的物理尺寸、 元器件布局、电源层和接地层的分割等因素。但是其基本机制类似于下式： = k d l d t ( 1 一1 1 ) 其中是同时进行切换的信号的个数，厶，是所有电流所必须流经的回路( 包括集成 电路芯片的封装、电源层和接地层等) 的等效电感，是每个信号的电流。 当许多个信号同时进行切换时，会有一个较大的瞬态电流i 在集成电路芯片 与p c b 的电源层及接地层之间流过。因为电流必须流经l 。这样一个电感，噪声电压 k 。就会被引入到电源中，即引发电源噪声，然后再反过来表现在输出信号上。当 噪声电压引入到电源中后，会使地平面( o 、，) 也产生电压的波动和变化。即瞬 间大的电流涌动还会引起地平面反弹噪声( g r o u n d b o u n c e ，简称地弹) 【2 “。 1 1 5 电磁兼容干扰( e m i ) 在许多p c b 文献和设计工具中，通常都将电磁兼容干扰( e l e c t r o - m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，简称e m i ) 作为一个独立的设计问题来对待。但从电磁兼容干扰问题的 本质上而言，电磁兼容干扰问题和前面所讨论的那些信号完整性问题一样，实际上 都是同一个问题的二个不同方面。延迟、反射、串扰和同步切换噪声都是从时间域 上去观察信号的电压和电流，而电磁兼容干扰是从频率域上去分析信号的电压和电 流，只是电磁兼容干扰更关心高频的区域。 如同其它的电子设备一样，p c b 也有电磁兼容干扰的问题。电磁兼容干扰包括 第一章高速数字p c b 中的信号完整性问题 二方面的内容：系统受外界干扰的程度，以及系统对外界产生干扰的情况。 与前面所述的串扰问题一样，信号线之间的容性祸合和感性耦合对电磁兼容干 扰具有很大的作用。尤其是由信号线本身及信号回路( s i g n a lr e t u r np a t h ) 构成的信号 电流环将形成一个“天线”向外辐射能量，同时也从外界吸收能量。这个电流环的 尺寸越大，“天线”的效应也越大，电磁兼容干扰问题也越明显1 7 l 。 和同步切换噪声问题类似，p c b 上高速数字电路工作时在电源和地线上产生的 噪声将对整个系统工作产生干扰：反过来，高速数字电路也会受到输入的电源和地 线上噪声的影响。 另外，作为和上述所有信号完整性问题同出一辙的一个最为重要的因素就是元 器件过高的工作频率和变短的上升下降时间，使得数字信号中高频的成分变大，元 器件也就越容易向外辐射干扰。 1 2 传输线理论 传输线就是一个适合在两个或多个终端间有效传输电功率或电信号的传输系 统，如金属导线、波导和p c b 走线等。简单地说，传输线是由两条有一定长度的导 线组成的。 1 2 1 传输线的结构 典型的p c b 中用到的传输线是由埋入或者附着在具有一个或多个参考平面的绝 缘材料上的导电迹线构成的，导电迹线一般使用铜材料而电介质使用一种n q f r 4 的 玻璃纤维。数字设计中最常见的两种传输线结构是微带线和带状线。其中微带线又 分为标准微带线和嵌入式微带线，标准微带线是指p c b 外层的走线，它直接贴附在 介质平面上并暴露于空气中，嵌入式微带线是标准微带线的改进，它与后者的区别 在于铜线上覆盖了介质材料。而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，根据它与两个导电平面之间的距离是否相等又可以分为对称带状线和不 对称带状线1 1 8 1 。 为了分析高速数字系统的传输线效应，必须从传输线的电气特性入手。传输线 的电气特性包括特性阻抗和传播速度。如图1 1 所示的典型微带线结构，当电流在它 上面流动时，会在周围产生环绕它的磁场以及存在于迹线和地返回路径之间的电场， 如果假定在z 方向上( 指向纸内) 没有电场和磁场分量，那么电场和磁场将是f 交的， 这种情况下就是所谓的横电磁( t e m ) 波。当然，在实际中，由于介质分界面处的不 连续性，z 方向上是存在电场或磁场分量的，只是由于这个纵向分量相对较小，所 以可以把它当作t e m 模型来分析；而对于带状线结构，由于电源和地平面之问的介 质是均匀的，所以传输的是标准t e m 波【s 】。 信号完整性仿真自动化设计和多线稃技术研究 y t z ( 指向纸内) + x 电场 磁场 一地逐凹路径 图1 1 微带线周围的电磁场 对图1 2 所示的回路运用基尔霍夫电压定律： v ( z + & ，) - - vz , t ) = - r i ( 乙，) 一工1 d i ( z 厂, t ) 同样，在z + & 处应用基尔霍夫电流定律： f ( z + a z , t ) 一f ( z ，f ) = - g y ( z + a z , t ) 一c d e ( z + ，z , t ) a t 呈- ( 1 1 2 ) ( 1 - 1 3 ) 黧 z + a z 图1 2 长度为d z 的传输线微分段的等效电路模型( g l c o 模型) 两边同除z 并令z 斗o ，于是( 1 - 1 2 ) 和( 1 - 1 3 ) 就从差分方程变成微分方程： o v ；( z 一, t ) ：一r f ( z , t ) 一lo i ( ，z , t ) ( 1 - 1 4 ) 口口 o i ( - z , t ) ：g v ( z ，r ) 一co v ( ，z , t ) ( 1 - 1 5 ) 7 1 其中尺、上、c 和g 分别表示单位长度的电阻、电感、电容和电导，解方程( 1 1 4 ) 和( 1 1 5 ) 便可以求出传输线上任意一点的电压和电流。 传输线的特性阻抗乙定义为线上任意点的电压和电流的比率，传播速度( 相速) v 是指电信号在传输线上的传输速率，由周围的介质材料决定，单位长度的传播延 迟是传播速度的倒数，单程传播延迟t o f ( t i m eo f f l i g h t ，也称为飞行时间) 为单位 长度的传播延迟与线长的乘积，根据上面两式可以推出： z o ：隰 v g + j m c ( 1 1 6 ) 第一章高速数字p c b 中的信号完移性问题9 v ：皂 _ r 铲告年 m 阳州：车 ( i - 1 7 ) ( i - 1 8 ) ( 1 1 9 ) 其中c 为真空中的光速( 3 1 0 8 m s 。z 0 中的c 为单位长度电容) ，d 为传输线 长度，8 r 表示相对介电常数，由空气的介电常数和和介质材料的介电常数加权平均 得到，具体的计算公式为： q ：掣+ z 6 0 1 1 丁翮 。0 2 ”( 岛1 赢( 1 - 2 0 )j j 呻0 0 2 k 1 ) ( 1 专2 砉1 12 1 l二 1( 一) 其中岛为介质材料的介电常数，日是导线到地层的高度，矿是导线宽度，r 为导线 厚度。 1 2 2 传输线的阻抗 对于传输线来说，特性阻抗是描述由几何结构和材料决定的传输线特征的一个 物理量，它等于信号沿均匀传输线传播时所受到的瞬态阻抗。特性阻抗对于传输线 来说是一个非常重要的参数。所谓特性阻抗，就是信号在传递的每一步的阻抗，从 信号传播的角度来看，信号每传递一步都需要发送线路和回路之间的一个电压差来 驱动，如果传输线的横截面积相同，那么这个电压信号也是恒定的，也就是说信号 在这条线传递时会产生同样的瞬时阻抗，这被视为传输线的一种特性，故而称之为 特性阻抗【2 ”。 在高速p c b 中，常用的传输线结构基本有两种：微带线和带状线。下面简要介 绍一下这两种结构的特性阻抗： 1 微带线 微带线的信号线贴附在介质平面并直接暴露于空气中，地层在信号线的另一边 易于测试，如图1 3 ： 0 信号完整性仿真自动化设计和多线稃技术研究 w 卜 = = = = 二毒h 一t 图1 3 微带线结构 微带线的特性阻抗的近似计算公式如下式【1 9 1 ： z o - ( 南 l n ( 湍) c q ，邹 s 删时有效m z z ， z o = ( 南 i n ( 器) c q ，瓠s 删有效c 其中：矿为线的宽度( 英寸) ，r 为线的长度( 英寸) ，为信号线与参考板的距 离( 英寸) ，是电路板介质的相对介电常数。等式1 2 2 中，当w h ：b 于等于o 6 时， 误差为士5 ，当w h 大于0 6 时，误差为士2 0 4 。 2 带状线 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，如图1 4 所示。 工b 图1 4 带状线结构 因此，带状线存在于板的内部，并不暴露在空气中。带状线相比于微带线而言 它具有很强的场吸收能力和抗干扰能力。带状线的阻抗计算公式如下： z o = h ( 蒜h 剖m i 9 ( 。2 h + t ) 尸1 m z 其中：形为线的宽度，丁是线的厚度，b 是两参考板之间的距离，日是信号平 面和参考平面的距离，是电路板介质的相对介电常数。w ( h n o 3 5 ， t h 0 2 5 【6 l 。 1 2 3 传输线的反射 反射就是信号在传输线上的回波。信号在传输线上传播时，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。源端与负载端阻抗不匹配是形成反射的 原因。当负载阻抗等于源端阻抗时，传输到负载的能量是最大的。在两个阻抗不相 等时，信号的一部分能量被负载所吸收，部分被反射回信号源。同时，信号源会 第一章高速数字p c b 中的信号完整性问题1 1 产生相应的变化去补偿输出。在高速数字电路中要想把信号能量从源端全部传递给 负载，必须使传输线特性阻抗与信号的源端阻抗和负载阻抗匹配，否则信号会发生 反射问题2 1 i 。 蝴虼一k g i l l 5 信号的反射 信号反射会产生过冲和下冲现象，过冲是指信号跳变的第一个峰值( 或谷值) ： 下冲是指信号跳变的下一个谷值( 或峰值) 。当然，这两者都有很大的危害：过大的 过冲电压经常长期性地冲击会造成器件的损坏，严重的下冲会超过了接收集成电路 的输入切换门限而导致电路的逻辑错误。如果信号在驱动器和接收器之间来回多次 反射，就会产生振铃现象，这增加了信号稳定所需要的时间，从而影响到系统时序。 当驱动器发射一个信号进入传输线时，信号的幅值与多个因素有关，比如说电 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1 6 描述了一个初始波被发射进入传输线。初始电压矿将沿着传输线传播 直到它到达终端。矿的幅值决定于内阻和传输线阻抗之间的分压： 去 ( 1 - 2 5 ) v s 图1 6 发射一个波进入传输线 如果传输线末端终接的阻抗正好和线的特征阻抗匹配时，幅值为形的信号端接 到地，这样电压k 将保持稳定直到信号源再次转变。这种情况下电压形是直流稳态 值。否则，如果传输线的末端出现的阻抗不同于传输线特征阻抗，信号的一部分端 接到地，而信号的剩余部分将沿着传输线向源头端反射回去。其中，反射回去的信 号数量与反射系数有很大关系，反射系数被定义为给定节点上的反射电压和入射电 压的比值【5 】o 反射系数计算如下： t ， 77 p ：v r e f l e c t e d ：二： 鱼 ( 1 2 6 ) 幽h fz ，+ z o 其中z 0 为传输线特性阻抗，而互是不连续的阻抗。等式假定信号沿着特性阻抗 为z o 的传输线行进并遇到不连续阻抗互。注意：如果z 0 等于互则反射为零，意味 1 2 信号完整性仿真自动化设计和多线程技术研究 着没有反射。z 0 等于z ，的情况称为终端匹配。 第二章基丁= 信号完整性分析的p c b 设计方法及仿真流稃1 3 第二章基于信号完整性分析的p c b 设计方法及仿真流程 2 1 解决信号完整性问题的一般方法 在高速数字p c b 设计中解决信号完整性问题的主要方法有：建模仿真、正确的 电路设计以及合理的布局和布线【2 】。 对高速数字电路进行建模仿真是最有效的信号完整性解决方法。它给设计者以 准确、直观的设计结果，使得能够及早发现问题，及时修改，从而缩短设计时间， 降低设计成本。在高速电路设计中，仿真分析越来越显示出其优越性。在进行电路 建模仿真过程中，设计者应该对相关的各种因素作出合理估计，依据适当的仿真工 具建立合理模型，通过仿真计算来选择合理的端接元件并优化元器件布局，完成正 确的端接策略选择和布局约束条件设定，从而解决信号完整性问题。 而在电路设计中若能遵从一些设计要点，也能在相当程度上控制和解决信号完 整性问题。例如：在传输线上端接无源元件( 如电阻、电容等) ，以实现传输线与负 载之间的阻抗匹配；控制同步切换输出数量：控制各单元的最大边沿速率( d l d t 和 d 矿西) ，使系统运行在最低且可接受的边沿速率上；为高速输出单元电路( 如时钟 驱动器) 选择差分信号传输模式等等。 而p c b 版图设计中合理的布局和布线也是非常重要的，设计者应该在不违背一 般原则的前提下，利用己有的设计经验，综合多种可能的方案，优化布线，消除各 种潜在的问题。一方面要充分利用现有的、已经过验证的布线经验，将它们应用于 布线工作中；另一方面要积极利用一些信号完整性方面的仿真工具，约束、指导布 线3 1 。 2 2 基于信号完整性分析的p c b 设计方法 信号完整性对于高速数字系统的p c b 设计来说是十分重要的，因此，我们需要 一种好的设计方法来分析、控制和解决可能出现的信号完整性问题。下面介绍一种 基于信号完整性分析的p c b 设计方法。 在基于信号完整性分析的p c b 设计方法中，首先要做的就是要对所有的高速数 字信号建立起信号在p c b 板级的电路及信号分析模型( c i r c u i t & s i g n a lm o d e l i n g ) i 幢1 。 需要指出的是，这种设计方法并不是对所有的信号来说都是必须。因为有些信号是 属于低速信号，并且对信号的要求不太严格，在这种情况下就没有必要采取这种方 法。采用这种方法需要先找出系统中所有的对系统性能可能产生影响的高速数字信 号，并重点针对这些信号采用这种设计方法，这叫做有的放矢。 1 4 信号完整性仿真自动化设计和多线稗技术研究 在信号完整性仿真和分析( s ls i m u l a t i o n & a n a l y s i s ) 中，解空间是至关重要的，我 们把各种可能对信号完整性产生影响的p c b 设计和制造因素全部都找出来，并加入 到电路及信号分析模型中去。通过一系列计算，分析在各种条件下信号完整性的表 现，最终从仿真计算的结果中找至i j p c b 设计的解空间( s o l u t i o ns p a c e ) 。也就是说当 p c b 及元器件参数在一定的范围内变化、元器件在p c b 上的布局以及信号在p c b 上 的布线方式在符合一定条件的情况下，始终能够保证产品具有可靠的信号完整性 1 1 3 1 。 在电路设计( s c h e m a t i cd e s i g n ) 阶段，我们将依据前面仿真和分析所获得的解空 间，在解空问的范围内选择元器件型号、参数和电路结构。在此期间，我们还将对 完成的电路设计再反复进行信号完整性仿真和分析校验，以检查电路设计的正确性 和可行性。 在p c b 版图设计( p c bl a y o u t ) 阶段，我们还将以电路设计完成后所确定的解空间 作为p c b 版图设计的依据，把解空间的边界作为约束条件( c o n s t r a i n t ) 来完成p c b 的 布局、布线等设计。在此过程中，我们也同样对版图设计做布线后的信号完整性分 析( p o s t - l a y o u t a n a l y s i s ) ，以确认实际的版图设计是否符合预计的信号完整性要求。 若仿真结果不能满足要求，我们还需再修改版图设计甚至电路设计。 在p c b 设计完成后，我们可以进入p c b 制造和装配( p c bf a b r i c a t i o n & a s s e m b l y ) 阶段。此时我们将依据前面所确定的解空间来严格控制p c b 的制造参数和各项元器 件参数，以确保其都在解空间的范围之内。在p c b 的调试( p c bd e b u g g i n g ) 阶段，我 们还会通过仪器对系统中的高速数字信号进行实际地测量，以验证电路及信号分析 模型及仿真计算和分析的正确性，并以此作为模型修正( m o d i f ym o d e l ) 和设计修正 ( m o d i f yd e s i g n ) 的依t 居t 4 j 。 按照上述这些设计步骤及确定约束条件，我们就可以基本解决高速数字p c b 在 设计和制造中出现的信号完整性问题。 2 3 使用c a d e n c e 的a l l e g r o 进行信号完整性仿真 在进行信号完整性仿真的时候首先要确认系统中的关键信号和非关键信号，然 后选择仿真模型、定义仿真参数，再进行仿真分析，最终指导我们进行设计的修改。 那么下面就以c a d e n c e 的仿真工具为例说明信号完整性仿真的流程，如图2 1 所示。 第二章基于信号完整性分析的p c b 设计方法及仿真流程 设置仿真参数 上 用p r o b e 指定仿真信号线 上 生成仿真报告并设定仿真报告 需要包括的参效 j r 提取电路拓扑结构 上 更改条件重复进行仿真 二 仿真结果分析 上 电器约束规则的定义 豳2 ic a d e n c e 仿真步骤 根据实际的操作经历，目前使用c a d e n c e 的a l l e g r o 进行信号完整性仿真工作时 依然存在着许多令人不满的地方，例如： 每次只能进行一种类型的仿真，不能够一次设置完成批量仿真； 没有提供仿真设置的保存功能，使得每次仿真都要重复设置当要求达到某一指 标而设置互联参数时，需要仿真人员手动的多次设置该参数； 不能够实时显示仿真波形，这样对于计算量较大的信号完整性仿真，就不能根 据即时波形做出第一反应那么，就此提出能否利用一定的手段，在现有的仿真工 具基础上做出一定的改进来省掉这些过多的、重复性较大的过程以提高仿真设计的 效率。即构想我们所谓的信号完整性仿真自动化。 第三章仿真自动化软件的总体架构和各模块分析旦 第三章仿真自动化软件的总体架构和各模块分析 3 1 基于c a d e n c e 的仿真自动化技术方案设计 通过在c a d e n c e 的a l l e g r o 下进行信号完整性仿真的流程可以看出，每次仿真都 是从p c b 板子( 也就是+ b r d 文件) 中提取一个单个x o p l 网络图，然后针对每个t o p 图进 行条件设置，然后进行仿真。因此，要想实现自动化仿真，必须把针对p c b 文件的 所有的t o p 的仿真条件信息设置集中在前端，这就需要把这些条件信息保存到 b r d 文件的属性中，因此仿真自动化软件必须得与c a d e n c e 的a l l e g r o 进行通信，也 就是它和c a d e n c e 的a l l e g r o 需要一个接口。由于在仿真过程中，我们的仿真自动化 软件中不存在仿真功能，我们在这罩选用的是c a d e n c e 的信号完整性仿真工具 s i g x p l o r e r ，这同样存在着与s i g x p l o r e r 的通信问题，同样也需要一个和s i g x p l o r e r 之问通信的接口。由于针对每个+ b r d 文件的每个t o p 网络的信号完整性仿真次数是 上百次，一般的b r d 文件都需要对几十个乃至上百个网络进行仿真，而每一次仿 真都会产生大量的数据信息，所有的数据信息累加起来，对于工程师来说，从中 看出是否有信号完整性问题是有一定的难度的，这也没有从本质上提高工程师的 效率1 2 ”。因此，还得对信息进行一定的处理，然后把所有的信息以一种比较清晰 的模式显示出来，我们采取的措施是把所有的仿真波形信息叠加起来，仿真条件 信息以表格的形式输出，因此这就需要与w o r d 和e x c e l 通信的接口。 。，3 n i 矿 s l 仿真l 具 is i 仿真l 具 s i g x p l o r e r 一接口 图3 1 仿真自动化软件总体设计 从以上c a d e n c e 的a l l e g r o 信号完整性的仿真流程可以看出，要想使它实现自 丌姓 信号完整性仿真自动化设计和多线程技术研究 动化的需求，可以确定仿真软件内部的流程如图所示： 图3 2 仿真自动化软件内部流程图 下面是模块间的调用关系图： 图3 3 模块问相互调用关系 从s i s a 2 0 软件内部流程图和模块问的调用关系中可以看出，整个自动化的流 程是从仿真条件的整理开始的，也就是说这需要用户首先打开自己的信号完整性 第三章仿真自动化软件的总体架构和各模块分析 仿真工具a l l e g r o ，对需要仿真的p c b 文件进行仿真条件的设置，当然，对于设置 条件的保存和处理也是由仿真条件整理模块来完成的。 对于已经设置好的要进行信号完整性仿真的p c b 文件保存到服务器上的指 定目录下，这时仿真条件整理模块的功能已经完成，下面的工作将由调度监控模 块来完成，调度监控模块要对指定的目录进行实时监控，只要一发现有没有仿真 过的p c b 文件，这时，调度监控模块就要调用仿真工具模块对没有仿真的p c b 文 件进行仿真。同时，调度监控模块也在进行指定目录下的p c b 文件监控，更新日 志文件的输出，还有当调用