信号完整性分析课件：Ch3 阻抗与电气模型

1、Ch3 阻抗与电气模型 在信号完整性扮演重要角色的高速数字系统中，信号是指变化的电压或变化的电流。所有信号完整性的问题都是由模拟信号(那些变化的电压和电流)与互连电气特性之间的相互作用引起的。 而影响信号的关键电气特性是互连的阻抗。T I P 如果知道互连的阻抗，那么在产品制造前的设计阶段，就可以准确地预估信号的失真程度以及设计是否满足各种性能指标。T I P 阻抗是描述互连所有重要电气特性的关键术语，知道了互连的阻抗和传播时延，也就知道了它几乎所有的电气特性。3.1 用阻抗描述信号完整性以下四类基本的信号完整性问题都可以用阻抗加以描述： 1任何阻抗突变都会引起电压信号的反射和失真，这使信号质

2、量会出现问题。如果信号所感受到的阻抗保持不变，就不会发生反射，信号也不会失真。衰减效应是由串联和并联阻性阻抗引起的。 2. 信号的串扰是由两条相邻信号线条(当然还有它们的返回路径)之间电场和磁场的耦合引起的，信号线间的互耦电容和互耦电感形成的阻抗决定了耦合电流和耦合电压的值。 3. 电源供电轨道的塌陷实际上与电源分配网络(PDN)的阻抗有关。系统中必然流动着一定的电流量以供给所有的芯片。当芯片的电流切换时，由于电源和地之间存在着阻抗，就会形成压降。这个压降意味着电源轨道和地轨道从标称值向下塌陷。 4. 最大的EMI 根源是流经外部电缆的共模电流，此电流由地平面上的电压引起。在地平面上返回电流路

3、径的阻抗越大，电压降即地弹就越大，由它再激起辐射电流。减少电缆电磁干扰的最常用方法是在电缆周围使用铁氧体扼流圈，这主要是为了增加共模电流所受到的阻抗，从而减少共模电流。T I P 阻抗不仅可以用于描述与信号完整性相关的问题，而且还可以用于找到信号完整性的解决方案和设计方法。 如果知道互连的物理设计怎样影响阻抗，就可以解释它们如何与信号相互作用以及它们可能会有怎样的性能。T I P 阻抗是连接物理设计和电气性能的桥梁，我们的策略就是将期望的系统性能转化成需要的阻抗并把物理设计转化成阻抗的特性。 阻抗是解决信号完整性问题方法学的核心。为了把物理系统设计成我们希望的最佳性能，就需要把所设计的物理结构

4、转化为与之等效的电路模型。这个过程叫做建模。 所建电路模型的阻抗决定了互连怎样影响电压和电流信号。只要建立了电路模型，就可以使用电路仿真器(如SPICE)预估电压源受到互连阻抗影响后的新波形。或者，使用驱动器及互连行为模型预估信号与阻抗相互作用行为的性能。这个过程称为仿真。最后，分析预估的波形以确定它们是否满足时序、失真或噪声指标，它们是否合格，或者物理设计是否需要修改。对于一个新的设计，其流程如下所示。 建模和仿真这两个关键步骤的基础是：把物理特性转换成阻抗描述，分析阻抗对信号的影响。 如果知道电路图中每个电路元件的阻抗，并且知道如何计算组合电路元件的阻抗，那么任何模型和任何互连的电气特性都

5、能加以估算。所以，阻抗在信号完整性分析的各个方面都非常重要。3.2 阻抗的含义 两端元件的阻抗定义如下式：T I P 阻抗的定义适用于所有场合，不论在时域还是在频域中，也不管是测量实际元件还是计算理想元件。3.3 实际的与理想的电路元件有两种电子元件：实际的和理想的。实际的元件是可测的，是实际存在的事物，它们是构成现实硬件系统的互连或元件。实际的元件包括板上的线条、封装中的引线或装在板上的去耦电容器等。理想元件是具体电路元件的数学描述，有详细而精确的定义。仿真器只能仿真理想元件的性能，电路理论的概念和形式仅适用于理想元件，而且模型也是由理想元件组合而成的。T I P 我们的最终目的是建立由理想

6、电路元件组成的等效电路模型，模型的阻抗与测量实际元件得出的阻抗值非常接近。 电路模型只能是实际结构的近似，但是构造出的理想模型，使得仿真的阻抗与测量实际元件得出的非常一致。1. 理想电阻器；2. 理想电容器；3. 理想电感器；4. 理想传输线。为了描述任何实际的互连，在建模时要用到四种理想的两端电路元件：3.8 等效电路模型 实际互连的阻抗行为可以通过对理想元件的组合得到非常好的近似。理想电路元件的组合称之为等效电气电路模型，或者简称为模型，电路模型图通常称为原理图。 等效的电路模型有两个特征：一是给出电路元件是怎样连接在一起的(称为拓扑结构)；二是确定每个电路元件的值(称为参数值或寄生值)。

7、T I P 通常从建立尽可能简单的模型开始，再逐渐增加它的复杂度，这是个很好的习惯。T I P 很明显，实际元件的复杂性能可以用理想电路元件的组合在很高的带宽以内准确地加以逼近。3.9 电路理论和SPICE SPICE 是侧重于集成电路仿真程序(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)的简写。T I P 如果可以画出电路原理图，则SPICE 就可以仿真电压和电路波形。对于一般的电气工程分析而言，这是SPICE 真正的用武之处。3.10 建模简介T I P 在构造互连模型时，要记住：现在得到合用的答案通常比以后得到更准确的答案更有价

8、值。这就是为什么要采纳爱因斯坦的建议先从最简单的模型开始，然后再逐渐增加复杂度的原因。1in 长微带线的测量阻抗和一阶、二阶模型的仿真阻抗。其中，一阶模型是单个C，带宽大约是1GHz；二阶模型为串联的LC 电路，带宽大约是2GHz。三种不同电阻器元件的测量阻抗：轴向引脚、贴片式和集成无源元件。理想电阻器元件的阻抗是不随频率变化的常数；从图中可以看出，低频时，这个简单的模型与各种实际电阻器都是一致的，对于某些工艺下的电阻器，模型带宽是不够宽的3.11 小结1. 阻抗是一个描述所有信号完整性问题及找出解决方案时很有效的概念。2. 阻抗描述了互连或元件中电压和电流的关系。从根本上说，它是元件两端的电

9、压与流经元件的电流之比。3. 不要把构成实际硬件的真实元器件与理想电路元器件相混淆，理想电路元器件是对真实世界的近似数学描述。4. 我们的目标就是创建能非常准确地近似实际物理互连或元件的理想电路模型。然而总是存在一定的带宽，在带宽之外，模型的描述就不再准确，但是简单的模型却可能工作到非常高的带宽。5. 理想电阻器的阻值、理想电容器的电容值和理想电感器的电感值是不随频率变化的常数。6. 虽然阻抗的定义在时域和频域中是相同的，但是在频域中掌握并运用C 和L 的描述方法，则会更简单、更容易些。7. 理想电阻器的阻抗是不随频率变化的常数，而理想电容器的阻抗则随1/C 而变化，理想电感器的阻抗随L 而变化。8. SPICE 是个非常有力的工具，它可以对时域和频域中任何电路的阻抗或电压和电流波形进行仿真。对阻抗进行处理的工程师都应该用SPICE 软件。9. 当建立实际互连的等效电路模型时，总是从尽可能