《信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计》.pdf

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1、信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计1简介信号完整性是指信号在通过一定距离的传输路径后在特定接收端口相对指定发送端口信号的还原程度。在讨论信号完整性设计性能时，如指定不同的收发参考端口，则对信号还原程度会用不同的指标来描述。通常指定的收发参考端口是发送芯片输出处及接收芯片输入处的波形可测点，此时对信号还原程度主要依靠上升/下降及保持时间等指标来进行描述。而如果指定的参考收发端口是在信道编码器输入端及解码器输出端时，对信号还原程度的描述将会依靠误码率来描述。电源完整性是指系统供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该器件对工

2、作电源要求的符合程度。同样，对于同一系统中同一个器件的正常工作条件而言，如果指定的端口不同，其工作电源要求也不同（在随后的例子中将会直观地看到这一点）。通常指定的器件参考端口是芯片电源及地连接引脚处的可测点，此时该芯片的产品手册应给出该端口处的相应指标，常用纹波大小或者电压最大偏离范围来表征。图一是一个典型背板信号传输的系统示意图。本文中“系统”一词包含信号传输所需的所有相关硬件及软件，包括芯片、封装与PCB板的物理结构，电源及电源传输网络，所有相关电路实现以及信号通信所需的协议等。从设计目的而言，需要硬件提供可制作的支撑及电信号有

3、源/无源互联结构；需要软件提供信号传递的传输协议以及数据内容。2.01.51.00.5Vcore,V0.0-0.51001010…-1.005102030400time,nsec封装导线输出芯片封装PCB导线子卡过孔2.01.51.00.5背板Vout,V0.0-0.5-1.01001010…05102030400time,nsec输入芯片封装转接器子卡图1背板信号传输的系统示意图在本文的以下内容中，将会看到由于这些支撑与互联结构对电信号的传输呈现出一定的频率选择性衰减，从而会使设计者产生对信号完整性及电源完整性的担忧。而不同传输协

4、议及不同数据内容的表达方式对相同传输环境具备不同适应能力，使得设计者需要进一步根据实际的传输环境来选择或优化可行的传输协议及数据内容表达方式。为描述方便起见以下用“完整性设计与分析”来指代“信号完整性与电源完整性设计与分析”。2版图完整性问题、分析与设计上述背板系统中的硬件支撑及无源互联结构基本上都在一种层叠平板结构上实现。这种层叠平板结构可以由三类元素组成：正片结构、负片结构及通孔。正片结构是指该层上的走线大多为不同逻辑连接的信号线或离散的电源线，由于在制版光刻中所有的走线都会以相同图形的方式出现，所以被称为正片结构，有时也被称为

5、信号层；负片结构则是指该层上基本上是相同逻辑连接的一个或少数几个连接（通常是电源连接或地连接），通常会以大面积敷铜的方式来实现，此时光刻工艺中用相反图形来表征更加容易，所以被称为负片结构，有时也称为平面层（细分为电源平面层和地平面层）；而通孔用来进行不同层之间的物理连接。目前的制造工艺中，无论是芯片、封装以及PCB板大多都是在类似结构上实现。(a)版图(b)版图所对应的层叠结构图2层叠结构示意图信号层过孔平面层版图完整性设计的目标在于能提供给系统足够好的信号通路以及电源传递网络。但实际的物理连接并不是理想的，以上述经由过孔的导线为例

6、，在高频时表现出较明显的衰减。S210.0-0.2-0.4Mag.[dB]-0.6-0.80.00.51.01.52.02.53.0Frequency注：上图是图二结构在3GHz激励下顶层导线电流密度的分布状况。从左图中可以看出高频下电流在导线上的传输呈现出边缘效应。而其传输响应在3GHz时有大约0.7dB的衰减图3互联结构在高频激励时的表现示意图电流密度分布的显示对于版图完整性设计与分析有着重要的意义。因为通过电流密度的显示可以直观得观察到信号的寄生耦合位置以及强度，从而帮助版图调试者有针对性地采取耦合或解耦方案。以上结果以矩量法

7、仿真得到。对于信号完整性而言，首要任务是保证信号通路在一定负载情况下呈现良好的匹配状况；同时避免不期望的寄生耦合改变已设计好的匹配状况。利用电磁场仿真不但可以准确得计算实际版图结构中信号通路的匹配状况，同时也可以计算信号通路周围结构带来的寄生耦合（如果周围是信号线则通常被称为串扰），其强度可以直接表征为周围走线或平面上感应所产生的电流密度，从而可以帮助优化版图结构。端口4端口2端口6端口3端口1端口5(a)电流密度分布图注：上图电流密度分布状况的条件是在端口1加3GHz的激励，其它端口接50欧姆负载。00-50-50,1))-100

8、-100dB(S(5dB(S(3,1))dB(S(6,1))dB(S(4,1))-150-150-200-200-2500.00.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0freq,GHzfreq,GH