基于信号完整性理论的PCB仿真设计与分析研究

1、基于信号完整性理论的pcb仿真设计与分析研究目前，国内外有关信号完整性(signal integrity，si)工程和讨论还是一门尚未成熟的学科，其分析办法和实践都没有很好地完美，还处于不断的探究阶段。在基于信号完整性计算机分析的设计办法中，最为核心的部分就是pcb板级信号完整性模型的建立，这是与传统的设计办法的主要区分之处。si模型的精确性将打算设计的正确性，而si模型的可建立性则打算了这种设计办法的可行性。高速数字设计方面的问题突出体现为以下类型：(1)工作频率的提高和信号升高/下降时光的缩短，会使设计系统的时序裕量缩小甚至浮现时序方面的问题；(2)传输线效应导致的信号震荡、过冲和下冲都会

2、对设计系统的故障容限、噪声容限以及单调性造成很大的威逼；(3)信号沿时光下降到1ns以后，信号之间的串扰就成为很重要的一个问题；(4)当信号沿的时光临近0.5ns时电源系统的稳定性问题和电磁干扰(emi)问题也变得非常突出。在高速系统中，能否处理好系统的信号互连，解决信号完整性的问题，是系统设计胜利的关键。同时，信号完整性也是解决电源完整性、电磁兼容与电磁干扰(/emi)问题的基础和前提。高频效应与传输线理论高频效应集肤效应在高频状况下，电磁波进入良导体中会急剧衰减，甚至在还不足良导体中一个波长的距离上，电磁波已受到显著衰减，所以高频电磁场只能存在于良导体表面的一个薄层内，这种现象被称为集肤效

3、应。电磁波场强振幅衰减到表面的1/e的深度则为趋肤深度式(1)解释：电导率越大即导电性越好，工作频率越高，趋肤深度越小，其导致高频时的远大于低频或直流时的电阻。邻近效应在若干个载流导体间的互相电磁干扰时，各载流导体截面的分布与孤立载流导体截面电流分布是不同的。当存在通有相反方向电流的两邻近导体时，在互相逼近的两侧面最近点电流密度最大；当两载流导体电流方向相同时，则两外侧面的电流密度最小。普通状况下，邻近效应使得等效电阻加大，减小。传输线理论广义传输线是引导电磁波沿一定方向传输的导体、介质或由它们组成的导行系统。普通所研究的传输线是指微波传输线，其理论是长线理论。而当传输线的几何尺寸与电磁波的波

4、长可以相比拟时，必需考虑传输线的分布参数(或称寄生参数)。在高速数字或电路设计和高速电路的设计中，许多电磁现象必需应用传输线理论举行说明，传输线理论是讨论高速数字(或射频)电路的基础。基本传输线理论当传输信号速率或频率达到一定时，传输信号的通道上的分布参数必需考虑。以平行双导线为例，其上的集肤效应带来单位长度射频阻抗增大。当其达到射频段，平行双线周围的磁场很强，必需考虑其寄生电感，且平行双线间的电场要用来等效。同时，导线间在频率很高时还要考虑导线间的漏电现象。所以一条单位长度传输线的等效电路可由r，l，g，c4个元件组成，1所示。图1单位长度传输线之等效电路由克希霍夫定律可得传输线方程表示式为

5、因此，传输线方程的通解可写成式中：v+ ，v- ，i+ ，i-分离是波和电流波的振幅常数，而+、-分离表示入射波(+z)及反射波(-z)的传输方向。传扬常数c定义为式中：a为衰减常数；b为相位常数。传输线上一点的电压和电流分离是入射波与反射波的叠加。在z轴上任一点的电压及电流表达式为上式解释在一传输线上传输的电压波和电流波是时光及传输距离的函数。集成传输线理论集成传输线包括微带线、带状线、耦合线和各种共面波导。微带线目前是混和微波和单片微波集成电路中用法最多的一种平面型传输线。它可用于光刻程序制作，且简单与其他无源微波电路和有源微波器件集成，实现微波部件和系统的集成化。微带线的信号线在外层，地

6、层在信号线的另一边，易于测试。带状线又称三板线，由两块矩形截面导体带构成，接地板之间填充匀称介质或空气。带状线的信号线夹在两个电源层之间，理论上它能最好地传输信号，由于它两边都有电源层的屏蔽。但它将信号线躲藏在内部不利于测试。信号完整性理论信号完整性(si)主要讨论的是信号沿导线传输后的质量和时序问题。通常，需要解决的信号完整性问题包括：(1)反射，因为阻抗不匹配引起；(2)串扰，由相邻信号耦合产生；(3)过冲和下冲；(4)振铃，表现为信号反复振荡，可以通过适当的端接来抑制；(5)地平面反弹噪声与开关噪声，对于高速器件，大量数据信号迅速翻转，通过地回路的电流变幻导致非抱负的地平面；(6)电源分

7、配，对于高速电路来说，控制好电源/地平面的阻抗是系统设计的关键；(7)时序问题，对于高速设计，信号的传扬延时、时钟偏移和颤动等因素足以导致系统无法正确推断数据；(8)emi问题，包含电磁辐射和抗扰性两个方面的问题，解决pcb设计中的emi问题是系统emi控制中最为重要的环节，成本也最低。仿真模型与建模办法se仿真模型及建模办法spice仿真模型spice(simulationprogram with integrated circuit emphasis)是一种通用电路分析程序，能够分析和模拟普通条件下的各种电路特性。spice程序能够代替面包板、等囫囵试验室的功能。spice程序具有浩大的器

8、件库，其中包括：(1)无源器件模型，如电阻，电容，电感，传输线等等；(2)器件模型，如，结型，mos场效应管等；(3)各种电源，包括线性和非线性的受控源，如自立电压源、电流源，受控电压源、电流源等；(4)a/d，d/a转换接口电路以及数字电路器件库。spice模型的建模办法通常用法的器件有两种，一种是分立元器件，一种是芯片。按照器件的种类实行两种电路建模办法。1)基本器件模型。例如：电阻、电容、电感、一般三极管等，这些是构成一个电路的最基 本的单元。通常采纳物理法来建模，即以描述器件的物理性能的方程为动身点来建立器件的模型。同样一个器件不同工作频率下的模型是不同的。2)芯片子电路器件模型。芯片

9、通常都是由一些基本的元件组成，把各个基本单元元件及其衔接关系以网表的形式做成子电路，供其他的电路调用，就构成了一个芯片的子电路模型。通常采纳黑箱(blackbox)法来建模，即是把器件看作黑箱，着眼于端口的工作特性，用它构成模型。ibis仿真模型及模型结构ibis仿真模型ibis(input/outputbuffer information)输入/输出缓冲器信息规范，是一个元件的标准模型信息。ibis模型是一种基于v/i曲线的对i/o缓冲器迅速精确建摸的办法，是反映芯片驱动和接收电气特性的一种国际标准，它提供一种标准的文件格式来记录如驱动器输出阻抗、升高/下降时光及输出负载等参数，十分适合做振

10、铃(ringing)和串扰(crosstalk)等高频效应的计算与仿真。ibis模型结构ibis模型是用于描述i/o缓冲信息特性的模型，一个输出输入端口的行为描述可以分解为一系列的容易的功能模块，由这些容易的功能模块就可以建立起完整的ibis模型，即在一个缓冲单元中的基本元素，包括封装所带来的寄生参数(输入、输出或使能端)、硅片本身的寄生电容、电源或地的嵌压庇护电路、门限和使能规律、上拉和下拉电路等。pcb仿真切例及其结果分析pcb板仿真相关参数的设置印制电路板仿真有两种：线仿真和板级仿真。线仿真可以按照设计时对信号完整性与时序的要求，在布线前协助设计者调节元器件布局、规划系统时钟网络以及确定

11、关键线网的端接策略，在布线过程中跟踪设计，随时反馈布线效果。板级仿真通常在pcb设计基本完成之后举行，可以综合考虑如电气、emc、热性能及机械性能等方面这些因素对si的影响及这些因素之间的互相影响，从而举行真正的系统级分析与验证。在举行仿真时，首先要加载元器件的仿真模型，然后举行前仿真来确定布线过程中需要的参数设置和一些约束条件，接下来在实际布线过程中随时通过线仿真检查布线的效果，最后在布线基本完成之后举行板级仿真来检查系统工作的性能6。文中实例是对sfp(small form-factor pluggable optical transceiver)小型封装可热插拔式光纤收发模块举行的反射仿

12、真分析。仿真切例及结果分析仿真模型的建立在sfp光收发模块的原理图设计完成后，就要开头举行pcb板的设计。因为sfp光收发模块的工作频率设置为1.25gbit/s，数据速率很高，而差分走线的长度很长，因此必需采纳微带传输线举行阻抗匹配来减小在源端和终端的反射，从而确保信号的质量。按照原理图中max3748的芯片资料可知，其差分线的单端输出阻抗为50，而按照sfp-msa协议，主机板上的接口部分即rd+/-端口的差分阻抗为100。按照差分线的理论，在没有耦合的状况下，两根平行的微带线传输线的差分阻抗等于单端阻抗的2倍，因此，必需采纳特性阻抗为50的传输线来举行匹配。提取max3748和接插件j1

13、之间互连网络的拓扑2所示。因为j1是接插件，没有相应的ibis模型数据可以调用，因此为了使得仿真得以举行，在j1处加载一个系统自带的差分接收端din1。并设置相应的工作频率。图2max3748与j1之间互连的拓扑结构仿真结果及分析通过仿真结果分析，信号质量达不到设计的要求，主要有以下问题：(1)升高沿及下降沿存在非线性；(2)波形存在一定的过冲和下冲；(3)边沿速率变慢。针对以上问题，通过对电路进一步的分析发觉，这些现象是因为两个方面的因素引起的。1)因为sfp光收发模块主要采纳差分线举行信号的传输，按照sfp-msa协议，主机板上的差分阻抗为100。而且，max3748的差分输出端的阻抗为100，在前仿真中，系统提取拓扑结构时，采纳默认的阻抗为60的微带线，造成了阻抗不匹配。2)因为在j1后面加载了系统自带的差分输入端，当其处于高阻态时，相当于终端开路的状况，存在较大的反射。因此，为了确保信号的质量，必需举行阻抗匹配。设置差分传输线的阻抗为100，按照差分微带线的理论，采纳传输线计算软件可以计算出差分线的线宽为15mil，线间距为10mil，