（计算机科学与技术专业论文）高速高密度pcb关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 随着数字信号传输速度的不断提高和器件封装尺寸的不断缩小，高速高密度p c b 的 设计技术已成为电子设计的研究热点和难点，本课题就是针对高速高密度p c b 设计的关 键技术和方法展开研究的。 本文首先介绍了高速信号传输理论与实现，主要包括传输线理论、信号完整性和电源 完整性等内容。重点阐述了传输线损耗形成的原因。针对计算特性阻抗的简单公式，作者 进行了重新的推导分析，提出计算阻抗的复数性质和频率相关性，把低频设计时不曾考虑 的因素纳入到计算公式内，具有更加精确的阻抗控制和端接匹配效果。 其次，针对目前嵌入式p c b 设计技术的应用和发展，本文重点研究了嵌入电阻的p c b 设计技术和方法，以及嵌入式p c b 材料，具体实现了平面电阻的物理设计和版图设计。 对于嵌入电容、电感和芯片到p c b 内部的设计技术，本文也进行了深入研究。由于无源 元件改变了p c b 物理结构，作者以嵌入平面电阻为例，论述了嵌入层传输线的特性阻抗 计算和分析方法，通过精确计算和调整传输线阻抗，可以改善终端匹配效果，防止出现由 于反射引起信号完整性问题。 本文还研究了g h z 级高速信号传输条件下的p c b 设计技术，讨论了高速串行传输、 高速连接器和过孔等设计实现技术和分析方法。高速板内部物理结构的变化以及板间互连 影响的加剧，是各种寄生效应和电磁干扰对高速传输影响的集中表现，本文对这些因素进 行了详细的分析和阐述，总结出g h z 级过孔设计规则，提出对高速串行p c b 设计应避免 不连续性影响的策略。 最后，本文研究了元器件的i b i s 模型和s p i c e 模型，介绍了眼图分析技术，探讨了 有损传输线的建模方法，并在h y p e r l y l l x 仿真工具中进行了仿真分析，针对高频条件下的 过孔损耗，分析了过孔模型对p c b 仿真的影响。多板分析是背板系统设计的关键技术， 作者从连接器模型出发，沦述了多板分析中的各个环节的组成和流程，并在i c x 仿真环境 中介绍了s p i c e 模型包裹到i b i s 模型内部的方法，从而实现了高速背板系统的多p c b 仿 真，为重点工程的多p c b 仿真技术实现作了有益的探讨和预研。 关键词：传输线，特性阻抗，信号完整性，电源完整性，连接器，过子l ，嵌入无源元件， 嵌入有源元件，多板分析 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t l ls i 目a lt r a i l s f e rs p e e di n c r e a s e da n dp a c k a g es i z er e d u c e dg m d u a l l y ，h i 曲一s p e e d ，h i 曲 d e n s i t yp c bt e c l l i l o l 0 2 yl l a sb e c o m ed i 丘i c u l t ya n dh o t s p o ti ne l e c t r o n i cd e s i g na r e a b e c a u s eo f t h a t ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ek e yt e c h i l o l o g ya n dm e t h o d o l o g yo fh i g hs p e e d ，h i g hd e n s i t yp c b s a cf i r s t ，t h e o r ya n di m p l e m e n t i o no f h i g h s p e e ds i g n a lt r a n s m i s s i o n ，i n c l u d i n gt r a n s m i s s i o n l i n e st h e o r y ，s i g n a l i n t e g r i t ya n dp o w e ri m e 鲥t y ，w a si 玎t r o d u c e d r e a s o n st h a tr e s u l ti nl o s sa r e s 订e s s e d a l s o ，山ec a l c u l a t i n gf o m u l a t i o no fd l a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ei sd e d u c e da n da i l a l y z e d a sar e s u l t ，i m p e d a n c em u s tb ep l u r a l i t ya n dc o r r e l a t i v ew i t hf k q u e n c v t h e r e b v m a i l vf a c t o r s i g t l o r e di n1 0 ws p e e dd e s i g n sa r ec o n s i d e r e ds o 山a ti m p e d a i l c ei sc o n t r o l l e dm o r ea c c u r a t e l va n d b e t t e rt e m l i n a t o rm a t c h i n g a i m e da ta p p l i c a t i o n sa i l dd e v e l 叩m e n to fe m b e d d e dt e c t l n o l o g yf o rp c b s ，d e s i g n m e t h o d o l o g ya n dm a t e r i a l so fe m b e d d e dp l a n a rr e s i s t a i l c ei sd i s c u s s e d p h y s i c a la i l dl a y o u t d e s i g no fp i a n a rr e s i s t a n c ea r ei m p l e m e n t e d i na d d i t i o n ，e m b e d d e dc a p a c i t o r s ，i n d u c t a i n c e sa 1 1 d c h i p si np c ba r es t u d i e d b e c a u s ee m b e d d e dc o m p o n e n t sh a v em o d i f i e dm ep h y s i c a ls t m c t l l r e o ft h ep c b s ，m e m o do fc a l c u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e ，w h i c hi s 也ea t 缸b u t eo f t i j a n s m i s s i o nl i n e si ne m b e d d e dl a y e r s ，a r ed i s c u s s e dw i t ht h ee x a m p l eo fe m b e d d e dp l a n a r r e s i s t a n c e w i t ha c c u m t ec a l c u l a d o n sa n da d i u s t 1 e n to fi m p e d 姐c e ，s i g n a li n t e 霉酊t yp r o b l e m s s u c ha st e n i n a f i o a n dr e n e c t i o nc a nb ea v o i d e d b a s e do nt h et e c h n 0 1 0 9 yo fp c b sd e s i g ni ng h z1 e v e l ，h i g h s p e e ds e r i a ld i f f e r e n t i a l 臼a n s m i s s i o n ，d e s i g no fh i g h s p e e dc o 衄e c t o ra n dv i ai np c b sa r ed i s c u s s e d p h y s i c a ls t m c t u r e s m o d i f i c a t i o na i l di n t e r c o 皿e c to fp c b sa m p l i f yt h ee f f e c to ns i g n a li n t e g r i t y v a r i e sp a m s i t i c p h e n o m e n o na 1 1 d 勘讧ib e c o m ec e n t r a l i z e dr e p r e s a t i o n so fh i g h - s p e e dt r a i l s r n i s s i o n t h ep a p e r m a k e sd e t a i l e da n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no fm e s ef k t o r s r u l e so fv i ad e s i g ni ng h zl e v c la r e c o n c l u d e d s t r a t e g i e st oa v o i dd i s c o n n m i t ya 丘色c t i o no np c bd e s i g n sa r e 口r e s e n t e d a a s t ，i b i sm o d e la r l ds p i c em o d e lo fd e v i c ea r ed i s c u s s e di 1 1m ep a p e ll o s s yl i i l e sa r e m o d e l e da n ds i m u l a t e dw i t hm et o o lo fh y p e r l y n xs o r 、v a r e a j m e da tv i al o s si nt h ec o n d i t i o n o f h i g hf r e q u e n c y ，t h ee 腑c to np c bs i m u l a t i o no fv i am o d e l si sa n a l v z e d m u l t i _ b o a r da 1 1 a l v s i s i s 山ei m p o n a mp a no fb a c k p l a i l es y s t e md e s i g n s t h ep a p e r b e g i n sw i t hc o n n e c t o r sm o d c l s ， d i s c u s s e se a c hs e c t i o n sa 1 1 dn o wo f m u l t i - b o a r da n a l v s i s m e 山o dh o wt ow 豫口p e rs p i c em o d e l s w i t hi b i sm o d e li si n t r o d u c e di ni c xe n v i o m e n t c 0 n s e q u e m l v m u l t i b o a r ds i m u l a t i o no f h i g h s p e e db a c k p l a n es y s t e mi si m p l e m e n t e d ，血a tc o n 岍b u t et op r e d i s q u i s i t i o no fe m p h a s i s p r c ：j e c t s k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e ， c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e ，s 培n a li n t e g r i t y ，p o w e ri n t e g r i t y ， c o n n e c t o r v i a ，e m b e d d e dp a s s i v e s ，e m b e d d e da c t i v e s ，m u i t i - b o a r da i l a l y s i s 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 1 1 无限长度上两条平行导线结构 图2 1 2 传输线等效电路模型 图2 11 3 特性阻抗不连续情况 图目录 图2 - 2 1 实际电源的电压波动 图2 2 2 产生振铃时的信号波形 图2 3 1 趋肤效应时微带线的电流分布 图3 1 1s m t 和e p t 技术简单示例 图3 1 2 嵌入平面电阻类型 图3 1 3 电阻功耗与温度关系 图3 1 4 电阻几何图形结构 图3 1 5 端接区配准 图3 1 6 重叠区配准 图3 1 7 嵌入电阻蚀刻工艺截面图 图3 1 8 嵌入电阻p c b 设计流程 图3 1 9 嵌入电阻蚀刻区域图形组成 图3 1 1 0 电阻修正“l c u t ”方法 图3 1 1 1 电阻修正“s c a l lc u t s ”方法 图3 2 1 信号线和地层间嵌入平面电容起到滤波作用 图3 2 2 嵌入电容原理结构图 图3 3 ，1 螺旋形平面电感结构单位m i l 图3 4 1 嵌入平面电阻等效电路模型 图3 4 2 优化前后的输出波形比较 图3 4 3 嵌入电容等效电路模型 图3 4 4 电容随重叠区域增长而增大 图3 4 5 嵌入电容等效电路模型 图3 4 6 电感值随转数的增加而增大一 图4 1 1l v d s 工作原理图一 图4 1 2 并串转换结构图 图4 - 3 1 短柱和反焊盘大小对寄生效应的影响 图5 2 1 长度z 传输线卜的参数分布 图5 3 ，1 嵌入平面电阻p c b 结构图 图5 3 - 2 充满两种介质的电容器结构 图5 _ 3 t 3 带状线电容器结构等效于两个电容器的并联 图6 2 1 i b i si o 缓冲器端口 图6 1 3 1 理想传输线模型 图6 3 2 有损传输线的r l c g 等效电路模型 图6 3 3 微带线结构图 图6 3 4 无损耗、直流损耗和交流损耗时的波形 图6 3 5 无损和有损情况卜- ，l o o 瑚电激励信号及其响应波形显示一 图6 3 6 无损和有损情况下，1 0 g h z 激励信号及其响应波形显示 图6 3 7 有损传输线中介质损耗和阻抗损耗曲线 第i v 页 o o“_他m掩体博侉如扒n丝拐弱船船凹凹如如弱”鲫铊甜虬引铊记弱钳 国防科学技术大学研究生院学位论文 图6 4 1 时钟信号网络 图6 4 2 过孔对信号延迟的影响 图6 4 3 不同过孔模型对信号延迟的影响 图6 5 1 单线连接器r l c 形式模型例子 图6 5 2 单线连接器传输线形式模型例子 图6 5 3s p i c e 模型描述的连接器等效电路 图6 5 4 端接策略波形分析 图6 5 5 使用h s d 连接器连接的低压差分传输逻辑图 图6 5 6 预加重1 0 的5 m i l 线宽仿真眼图 图6 5 7 预加重2 0 的5 m i l 线宽仿真眼图 图6 5 8 预加重3 3 的5 m i l 线宽仿真眼图 图6 5 9 预加重1 0 并添加末端r c 电路的5 m i l 线宽仿真眼图 图6 5 1 0 术端并联r c 电路结构图 图6 5 1 l 多板分析中最大延迟的变化 第v 页 巧铃卯矾舵砬酡配能 国防科学技术人学研究生院学位论文 表目录 表格1 不同材料的电气特性参数 表格2 电阻加工时误差总训 表格3 平面电阻功耗处理能力与标称值关系表 表格4 有机多层基板材料的电气参数 1 3 2 1 2 2 3 1 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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 中作了明确的说明并表示谢意， 学位论文题目： 直童直壁廑塑差链控丑l 盟窀 学位论文作者斟：蔓粤一 魄川年月加 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：商显商窒廑墼b 羞鲢挂盔盟究 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 垄到 牲 日期：扣吟年f f 月心日 日期：立耐年，月，f 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 背景 印制电路板( p r i m e dc i r c u i tb o a r d ，简称p c b ) 是所有电子设备的支撑】。随着数字 信号传输速度的提高和电子设备封装尺寸的缩小，给p c b 设计带来了新的挑战。电子系统 的速度、可靠性、功能和便携性已成为现代电子设计的基本要求，由此带来了最小化和高 速度的板级实现问题，即在明显缩小的面积上集成越来越多的有源和无源元器件同时，还 要达到越来越高的速度要求。 从信号传输速度上看，工作频率( f ) 在达到百兆h z 特别是g h z 量级后，高速数字系 统会呈现出与低速设计截然不同的行为，传输线分析己经逐步进入微波领域。另外，随着 p c i e 和r a p i d i o 等新标准的发布，并行总线到串行总线的转换得到广泛地应用，极大地 降低了p c b 布线密度，提高了数据传输速率( 2 5 1 0 g b p s ) ，但同时也带来了抖动、损耗、 误码率、差分阻抗和串行端接布局等问题。从电子设备的发展趋势来看，工作摆幅还会下 降，微弱的杂信或串扰都会严重影响设备性能。不管是高频模拟信号传输还是数字信号传 输的过程中，对p c b 的高速传输问题分析变得越来越重要。 从封装尺寸上看，传输线不断增加与密集化，其“o 数量也随之增加，更需要增加大 量的无源器件柬消除电磁耦合和串扰。据统计，平均每台手机包含四百多个无源元件，无 源元件与i c 的比率大约为1 7 ：1 。实际上，典型g s m 手机的无源元件已超过5 0 0 个， 而台式电脑主板的无源元件也超过2 0 0 0 个，在这些无源元件中，电容( c a p a c i t o r s ) 用量 最多，一般占4 0 7 0 。而随着数字信号传输系统的高速化与复杂化发展、有源元件工 作电压的持续下降与功能不断强化，有限的板面积上要集成更高数量的元器件。如此多的 元器件在很小尺寸p c b 上，必须采用高密度互连( h d i ) 技术或直接将元件嵌入到p c b 内部。 1 2 课题的实践意义 本课题来源于重点工程预研，主要针对高速高密度p c b 的关键技术进行研究分析。高 速高密度p c b 的设计技术已逐渐成为电子设计的研究热点，也是p c b 设计技术研究的新 领域。在电子设计过程中，如果原理图或高密度逻辑( h d l ) 是对的，那么只有从源端到 接收端的不良传输可以扭曲畸变信号。在硬件系统中有很多不同的传输介质，包括内部i c 连接、封装内连接、p c b 走线、背板和线缆。尽管这些介质的属性不同，它们传输信号的 方式却是相同的，可以通过同样的技术加以控制。 高密度p c b 设汁技术可以促进f p g a 设计。高端f p g a 的高管脚数需要将f p g a 装 第1 页 国防科学技术犬学研究生院学位论文 配到p c b 上，然后再与其它板上的i c 相连。在很小的面积上集成了大量的管脚，以致采 用普通p c b 制造工艺几乎不可能完成内部连线。f p g a 布局和布线工具得到的结果需要准 确、迅速地映射到原理图和p c b 布局中，同时p c b 设计的任何改变也必须在f p g a 上更 新。传统的设计过程是先对f p g a 设计，然后再进行p c b 设计，进行电路板实现。而现在 必须采用先进p c b 制造技术，例如高密度互连m d i ) 以及嵌入元器件技术等。 目前，高速串行传输应用广泛，频率的提高对信号完整性和电源完整性影响增大。对 高速p c b 研究领域需要涉及到传输线损耗、过孔损耗、连接器不连续性和损耗的补偿等方 面。工作摆幅的降低使得这些因素直接决定了信号的传输质量，在p c b 设计初期充分考虑 这些因素，并通过数字和模拟系统仿真工具根据在不同信号特性曲线条件下的噪声容限和 带宽来验证系统性能，可以保证高速p c b 设计的正确性。 新一代高性能巨型机和其它电子设备对系统中的印制电路板提出了更进一步的要求， 比如，需要更大板面积( 大于等于5 0 0 m m x 5 0 0 r n m ) 、更高密度、有源或无源背板的高速 互连等等，高速高密度p c b 设计和仿真( 多板仿真) 已成为新一代高性能巨型机和其它电 子设备设计实现的难点和瓶颈之一，本课题正是为解决此类难题而展开的。通过本课题的 研究，为重点工程项目的高速高密度p c b 设计实现进行预先研究和技术储备。 1 3 主要研究任务和贡献 本文围绕高速数字信号在p c b 上的传输理论和元器件在板内的嵌入式设计展开，重点 研究了传输线损耗、过孔损耗、嵌入式元件p c b 设计与分析以及多板仿真分析等方面内容， 并通过仿真手段分析了传输线损耗、过孔、连接器和嵌入式元件对信号传输质量的影响。 主要研究任务和贡献在于： 1 在高频条件下，传输线的阻抗是频率的函数，传输线阻抗计算工具必须充分考虑频率 大小和介质耗散因子的影响。本文在充分讨论传输线损耗的影响因素，并对高频时的 阻抗计算进行了研究，创新性地提出了高频时传输线的特性阻抗计算方法和改进的算 式，该算式的计算正确性较高，并通过理论推导、实际测试验证。 2 嵌入元件p c b 技术是p c b 设计实现的领域，本文详细论述了无源元件嵌入p c b 的原 理和版图设计方法，分析了元件嵌入到p c b 内部后对其物理结构和性能的影响，提出 了嵌入元件p c b 的阻抗设计与分析方法；通过对嵌入无源元件的建模和仿真，研究了 嵌入式p c b 信号完整性问题，以及嵌入元件材料的性能。本部分技术的研究是我院p c b 设计的初次涉入，对于重点工程项目的高速高密度p c b 设计具有积极意义。 3 传统的高速p c b 设计分析一般应用i b i s 模型进行，但随着g h z 量级数字信号传输的 实现，板级信号完整性必须考虑过孔、连接器等因素的影响，i b i s 模型已经不能满足 设计要求。本文在分析i b i s 模型和s p i c e 模型的基础上，通过包裹技术达到i b i s 模 型对s p i c e 模型的调用，实现了i b i s 模型的高速器件仿真。 4 高速串行背板连接已经成为大型电子设备的必然选择，本文针对高速串行设计的背板 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 连接问题展开研究，比如多板仿真分析、连接器模型等，通过对连接器的建模和匹配 模型文件( m m f ) 的创建，创新性地实现了g h z 级、多板的p c b 仿真，缩短了电子高 速设备的设计验证周期，并与实际设计实验互为验证。 1 4 本文的内容结构 本文按照以下章节和内容组织： 第二章高速信号传输理论与实现 本章介绍了在高频条件下的信号完整性( s i ) 和电源完整性( p i ) 问题，通过分析影 响s i 和p i 的因素，阐述了高速p c b 设计中降低此类问题的方法。根据信号在传输线中的 传播原理，重点介绍了传输线损耗对信号传输质量的影响和成因。 第三章嵌入式p c b 设计与分析技术 论述了嵌入电阻到p c b 内部的设计方法，包括对平面电阻的物理设计和版图设计。另 外，本文对嵌入电容、嵌入电感进行了研究，并给出了嵌入无源元件的等效电路模型，研 究分析了嵌入式p c b 的基板材料和元件材料。最后，根据后布线技术对芯片的嵌入设计进 行阐述。 第四章基于g h z 级传输的p c b 设计实现技术 由于低压差分传输的优点使得现在的多数电子设备设训采用此传输方式，文章对高速 串行传输进行了介绍，并论述了由此带来的p c b 板上的高速连接器和过孔等问题。 第五章高速高密度p c b 的特性阻抗计算 本章对计算损耗传输线特性阻抗的简单公式进行了重新的设计，并针对无源元件改变 了p c b 物理结构这一事实，作者以嵌入平面电阻为例论述了嵌入层传输线的特性阻抗计算 方法。对特性阻抗的计算分析可以提高传输线的终端匹配，防止出现反射等信号完整性问 题。 第六章高速高密度p c b 的建模与仿真 仿真是减少设计重复的重要手段。本章研究了元器件的i b i s 模型和s p i c e 模型，介 绍了眼图分析技术，探讨了有损传输线的建模方法，并在h y p e r l y l l x 仿真工具中进行了仿 真分析。另外，针对高频条件下的过孔损耗，分析了过孔模型对p c b 仿真的影响。多板分 析是系统仿真的重要环节，文章从连接器模型出发，论述了多板分析中的各个环节的组成 和流程，并在i c x 仿真环境中介绍了s p i c e 模型包裹到i b i s 模型内部的方法。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章高速信号传输理论与实现 高速设计的目的就是要保证所设计电路的信号完整性( s i ) ，差的信号完整性不是由单 一因素导致的，而是系统( 尤其板级) 设计中多种因素共同引起的。信号完整性问题主要 包括反射、振铃、地弹、串扰等。随着p c b 设计复杂度的提高，稳定可靠的电源供应也成 为目前系统研究的重点之一，造成电源不稳定的根源主要在于两个方面：一是器件高速开 关状态下，瞬态的交变电流过大；二是电流回路上存在电感。因此，单纯考虑信号完整性 是不充分的，还离不开电源完整性( p i ) 的研究。 另外，理想传输线是没有畸变、没有损耗的，线上任何一点的电压都是输入波形的复 制，并沿传输线方向有一定延迟。而实际并非如此，高速数字系统的工作频率越来越高， 使得系统呈现了与低速设计截然不同的行为，出现了s i 和p i 问题。另外，由于工作频率 的提高给传输线上的信号带来了明显的损耗，降低了信号传输的准确性并增加了延迟。 2 1 信号反射与传输线连续性 2 1 1 信号在传输线上的传播 传输线一般是指电路之问相连的导线，电信号在传输线上以波的形式传播。根据 a m p e r e 定律，流过电流的导体周围要产生个磁场，信号以一个电场和一个磁场形式在 信号线和地回路之间传输。对均匀传输线而言，电磁场相对于波的传播方向是横向的【2 1 。 所以波以横向电磁模式( n j m ) 方式传输，即没有电磁场分量传向z 方向( 传输线的长度 方向) 。如下图所示，当一阶跃信号在导线a 中传输时，导线b 中电流按相反方向传播， 并形成回路。 图2 1 1 无限长度上两条平行导线结构 导线中电压、电流与周围电磁场有以下关系： 第4 页 国防科学技术大学研究生院学何论文 2 1 2 传输线的特性阻抗 卢( w ，圳) 万彰( z ，f ) ( 2 1 ) 呻b 护( w ，z ，) 万= 他，f ) ( 2 2 ) 导线中心 特性阻抗是指信号沿传输线传播时，信号看到的瞬间阻抗值。它是传输线、介质层与 参考层之间电场、磁场相互干扰影响而共同呈现的瞬间阻抗值。 图2 1 2 传输线等效电路模型 微带线和带状线是单端类型的传输线结构，信号电流沿着信号导线流出后沿接地导体 返回。根据传输线等效模型( 如上图) ，传输线和地平面问存在着等效的并联电容和串联 电感。当输入一阶跃响应时，电感的存在起着阻碍电流突变的作用，电容的存在起着阻碍 电压突变的作用。当电容的容抗及电感的感抗不相等时会使传输线的阻抗特性呈现电容或 电感效应。上图中：l 均匀分布串接电感l o ( h m ) ；c 均匀分布并联电容c o ( f m ) ； r 均匀分布串接电阻r o ( q m ) ；e 一均匀分布并联电导g o ( s m ) 。 传输线的特性阻抗可以表示为一个复数( w 为频率) ： ：堕盟：f 鱼丝! ” f ( z ，f )g o + ，w co 理想传输线输入阻抗的特性和一个电阻负载完全相同，传输线是无损耗的，特性阻抗 可用串联电感和并联电容表示口】。 ：型：匡 ” f ( z ，f )c o 并联电容参数的影响。在任意情况下，具有不同电势的两个导体之间总是存在一个电 场，导体间就会产生电容。介质材料相当于印制板内的一个电容器。根据电容器的定义， 电容的大小和表面积、介电常数和介质厚度有关系。最直接的调节电容的方法就是调节介 质材料的介电常数和厚度以及导线的线宽。 串联电感参数的影响。只要存在电流的地方，就会产生电感。当电流经过导线时，周 围就建立磁场。由于电感与回路面积成正比，导线到地这一回路面积越大，电感值就越大， 对电流的阻碍作用也越大。因此调节电感的方法是调节导线的线厚和导线对地高度或两个 地平面的间距。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 3 传输线的反射 当一个信号旌加到传输线的一端时，电信号沿线路向下传播，由于源端和负载端阻抗 不匹配常常发生反射现象。在负载端附近会发生第一次反射，反射波反向传播到源端时发 生第二次反射。假设源端、负载端和传输线阻抗分别为z 。( w ) 、z 。( w ) 、z 0 ( w ) ，反射系数 分别是： 月。( w ) = z 。( w ) 一z 0 ( w ) l ，【z 。( w ) + z 0 ( w ) 】，r ，( w ) = 【z 。( w ) 一z 。( w ) 1 【z 。( w ) + z 。( w ) 】 在不采取任何措旋的情况下，反射波会一直在源端和负载端无限循环下去。 为消除此类反射可以采用末端端接和源端端接的方法，末端端接是使负载阻抗z l ( w ) 等于传输线阻抗z 。( w ) ，使反射系数凡( w ) = 0 ，消除第一次反射。同样，源端端接可以消 除第二次反射。 另外，由于传输线的不连续( 如：过孔、不同布线层等) 导致阻抗不匹配，也会发生 信号反射的现象。两段以上的传输线组合在一起时，特性阻抗的不连续点，将要发生反射 和多次反射。如下图所示： 卜_ 一 奋- _ ；- _ ( 扩，f + ) + ( 矿：，”) + 一f 矿f + ) 图2 1 3 特性阻抗不连续情况 在结点处( 不连续点) ： 矿+ + y 一：矿”：竺：竺：! z 0 1z 0 2 f 矿一= r 矿+f y + + = ，矿+ 假设反射系数r ，传输系数t 。根据 一：一! 和 ，一：! 【 z o l 【 z 0 2 可以推出反射系数r - 糍，传输系数丁= 彘。 2 2 信号完整性( s i ) 与电源完整性( p i ) 信号完整性( s i g l l a li n t e 龇y ，简称s i ) 是指信号的传输质量，主要包括反射、振铃、 过冲和串扰等现象。差的信号完整性会带来信号的失真噪声，降低信号传输的准确性。电 源完整性( p o w e ri n t e g r 时，简称p i ) 是指电源的质量对信号造成的影晌，主要包括s s n 、 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 地弹噪声等。对于一个理想的电源，其阻抗为零，在电源平面上的任何一点电位都保持为 系统供给电压，是恒定的。然而实际的情况并不如此，由于各个方面的影响，电源平面总 是存在明显的噪声干扰。 p i 和s i 是紧密相连的，普通e d a 仿真工具在进行信号完整性分析时，往往假设电 源绝对处于稳定状态，但随着系统设计对仿真精度的要求不断提高，电源的波动( 如下图) 对系统的影响变得越来越敏感，甚至会影响系统的正常工作。 2 2 1 振铃( 硝n g 缸g ) v ， m 柏m f m 一 | l - - - - _ 理想电源实踩电源 图2 2 1 实际电源的电压波动 当源端阻抗值小于传输线的特性阻抗时，源端反射系数将是一个负值，信号在传输线 上发生源端反射并产生振铃。振铃也是由线上过度的电感和电容引起。 下图给出了当信号上升时间与传输线传输时间相比很短情况下，传输线远端的电压波 形。可以使用s p i c e 仿真器进行分析，并根据多次反射和阻抗不连续预测波形。 图2 2 2 产生振铃时的信号波形 图中可以清楚的看出实际电压在通过开路的时候超出了源端电压，这些更高的电压是 由于传输线上分布的电感和电容发生谐振而产生的。如果传输线电路没有很好的端接，信 号振铃将会更加明显。 电路的任何振铃都会提高高频分量的振幅，也会以1 0 倍的速度提高辐射的大小。这 也是解决信号完整性问题时通常要先最小化e m i 问题的原因。振铃的原因是源端和远端阻 抗的不连续引起来回的多次反射，只要消除任意一端的反射都可以最小化振铃。 2 2 2 串扰( c m s s t a l k ) 当信号在一个网络上传输时，其中的一部分电流和电压会传递到邻近网络上，这种网 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 络之间的信号干扰会导致信号传输质量的降低，称为串扰。串扰是对邻近传输线产生的能 量耦合。串扰不仅会把噪声感应到邻接网络上，还会改变传输线的特性阻抗和信号传输速 度。在两个网络之间发生的耦合可以分为容性耦合和感性耦合两种。 容性耦合导致的串扰。p c b 上任何两个器件或导线之间都存在电场耦合的现象，即存 在互容c 。当干扰源网络上的电压v a g g 。，发生变化时，干扰源将通过互容向被干扰对象 注入一个噪声电流i v i 。i f f i ： 。= q 等 此类耦合引起的噪声电流会导致电磁干扰，使得被干扰对象上产生容性耦合噪声信 号。 感性耦合引起的串扰。p c b 上的两个器件或导线之问也可以通过磁场发生耦合现象， 即器件或导线闯存在互感l m 。当干扰源上的电流i a 。，发生变化时，干扰源通过互感向 被干扰对象注入一个噪声电压vv i c t i 。： 。吐等 这种耦合引起的噪声电压会导致被干扰对象上产生感性噪声信号。 串扰在两种不同的情形下产生：一是均匀致的传输线互连，电路板中的大部分导线 属于此类情形；另一种是非均匀( 不连续) 传输线，如连接器和封装。 串扰与信号的变化速率与摆幅、平行线长度成正比；与线间距、信号层对地高度成反 比。串扰最小的情况是使用一个均匀的地平面作为返回路径。在p c b 布局布线过程中，应 该尽可能加大线间距，以降低信号线间的串扰。相邻层布线方式，须互相垂直，减少相邻 层信号耦合。在满足特性阻抗目标值情况下，使传输线尽可能靠近地层。并采用合理逻辑 划分与布局，减少布线密集程度，以降低网络之问的串扰对信号传输质量的影响。 2 2 3 电磁干扰 电磁干扰( e m i ) 是指电路板发出的杂散能量或外部进入电路板的杂散能量。每个电路 都存在一个闭环回路，当电流从一个器件流入另一个器件，在导线上就会产生大小相同的 回流。任何一个设计电流环都是不可避免的部分，起着天线的作用。电路板上即使非常短 的布线都能成为发射天线。e m i 随着速度的提高变得更加重要，高速器件更容易受到干扰 的影响。一些被低速器件忽略的假信号往往会被这些高速器件接收。 在电路中，差模e m i 和共模e m i 是电磁能存在的两种主要形式。电路中器件输出的 电流流入一个负载时，就会产生差模e m i ；电流流经多个导电层，如p c b 上的多组导线或 电缆，就会产生共模辐射。 差模辐射。当电流流向负载时，会在返回路径产生等值的回流。两个方向相反的电流， 形成标准差模信号。这种情况下，p c b 只自& 近似的达到一个理想的自屏蔽环境，无法完全 国防科学技术大学研究生院学位论文 抵消信号通路及其回路之间的电磁场，剩余的电磁场就形成了差模e m i 。 共模辐射。回路电流流经高阻抗路径时产生共模辐射，并产生一个大的磁场。磁场以 共模电流的形式将其能量耦合到导线组或线缆中。由于此类导线没有形成回路，所以不能 产生相反方向的电磁场，形成了向外辐射能量的大天线。共模特性表现为这些导线组中的 感生电流方向全部相同。 控制e m i 的主要途径是减少辐射源的能量并且控制p c b 上电压电流产生的电磁场大 小。设计者可以通过屏蔽、过滤、消除电流环和减小器件速度等方法来减小e m i 的影响。 最小化电流环对e m i 的影响意味着最小化环路的数量和天线效能。所以应该尽可能的保持 小的电流环，另一个方法是滤波。 滤波常用于电源线，但是当信号噪声不能被消除时，可以使用在信号线上使用滤波。 过滤的方法可以使用旁路电容、e m i 滤波器和铁氧体小珠。e m i 滤波器可以用于很宽的频 率范围。铁氧体小珠用于高频滤波的情形。 第三种避免大量e m i 的方法是尽量使用慢速器件。一个给定频率范围的器件能量越 小，辐射的噪声就越小。根据定义，快速器件的传输时间更短，会产生更多的高频噪声。 因此，只有在系统速度需求高的情况下，使用快速器件。只要能够满足系统需要，应该尽 可能选用慢速器件。经过更长的传输时间，慢速器件在高频时辐射的能量要小。 2 ，2 4 同步切换噪声( s s n ) 和地弹 同步开关噪声( s i m u l t a l l e o u ss w i t c hn o i s e ，简称s s n ) 是指当器件处于开关状念时， 产生瞬间变化的电流( 蕊击) ，由于在经过回流的路径上存在电感，形成交流的快速电压 降而引起噪声，所以也称为f 噪声。对于快速器件和具有宽总线的封装器件会带来更严重 的噪声问题。快速改变的电流在封装电源和地引脚处形成较大的电压输出。 同步丌关噪声主要是伴随着器件的同步开关输出( s s o ) 而产生，丌关速度越快，瞬 间电流变化( 讲西) 越明显，电流回路上的电感影响就越大，产生的噪声就越严重。可 以用下面公式描述上述关系： v s s n = n l 。，q i d 1 ) 其中z 指单个开关输出的电流，n 是同时开关的驱动端数目，l l o o 。为整个回流路径上 的电感，而v s s n 就是同步开关噪声的大小。s s n 不是随机噪声( 比如热噪声) ，因此可以 被建模和仿真。可以根据以上公式对电路迸行合理的建模，还可以判断各种可能的回流路 径，分析不同的工作状念。根据s s n 产生机制，可以将s s n 分为两类：芯片内部( o n c h i d ) 开关噪声和芯片外部( o 搏c h i p ) 开关噪声。 芯片的地并不是和理想的系统地保持同样的零电位，而是存在电压波动，这种情况称 之为地反弹( g r o u f l db o u i l c e ) 。地弹是由于封装电感而引起地平面的波动，造成芯片地和 系统地不致。对于o 到l 开关状念，封装电感会给电源造成一定的压降，引起的芯片和 国防科学技术大学研究生院学位论文 系统电源差异，称为电源反弹。地弹现象是芯片外部和内部开关噪声综合影响的结果，s s n 和地弹的区别在于地弹噪声只来源于封装寄生电感，和系统的电源及地的电感无关。 地弹产生的另一个重要的要素是电磁干扰，要降低地弹噪声可以对两个方面考虑：一 是使用长度短宽度较大的互连降低返回路径的部分自身电感；二是使得电流及其返回路径 的导线距离更近，以降低互感。 2 2 5p i 和电源的阻抗设计 随着开关器件数目不断增加，核心电压不断减小，电源的波动对系统的影响越来越大， 由此带来了p i 问题。 开关噪声给信号传输带来的影响。地平面和引线存在寄生电感，由于开关电流的作用 造成电压波动，使得器件的参考地平面不再保持零电平。因此，驱动器端发送的零电平会 出现相应的噪声，相位和地面噪声相同。在接收器端的信号波形也同样受到地噪声的干扰， 区别只是此时的干扰波形和地噪声相位相反。另外，因为电源和地噪声的影响还可能发生 数据意外翻转的