信号及电源完整性分析与设计[Chapter12]
第十二讲
S-参数在信号完整性中的应用
西安电子科技大学电路CAD研究所
李玉山
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12.3
S-参数的基本公式
互连行为的所有信息都已全部包含在 S- 参数中，它 可以通过测量或仿真获得。S-参数已经成为描述互连行 为新的通用基准。 S- 参数是一种起源于频域的技术，但它的一些原理 和公式也可以应用于时域。 我们把信号进入或离开待测元器件(DUT)的两端称作 端口。对多传输线采用一种端口指派方法。
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图12-4 推荐的多传输线互连的端口标识指派方案
传输线的端口 1 连到端口 2 ；端口 3 邻近端口 1 ，流向 端口4。这种指派方式可以扩展到更多的n条传输线。我 们约定—— 左边的端口为奇数口1、3、5、7…； 右边的端口为偶数口2、4、6、8…。
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我们把输入端口称作 a 入端口，输出端口称作 b 出 端口。则每个S-参数的定义为：
Skj＝
输出端口b k的正弦波 输入端口a j的正弦波
(12-6)
S11代表从端口b1出，从端口a1入的信号。 S21代表从端口b2出，从端口a1入的信号。
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每个S-参数所涉及的端口使用两个下标号kj——第一 个下标号是出端口bk，而第二个则是入端口aj。 S-参数矩阵可以把一个激励电压矢量aj，转换为一个响 应电压矢量bk：
bk = S kj × a j
(12-5)
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12.4
S-参数矩阵
二端口元器件有4个S-参数，组成一S-参数矩阵——
元器件
1 —2
? b1 ? ? S11 ?b ? = ? S ? 2 ? ? 21
S12 ? ? a1 ? ? ? ? S 22 ? ? a2 ?
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一般而言，如果互连不是物理对称的，那么 S11 和S22就不相等。然而，对于所有的线性、无源元件 而言，总有 S21=S12 ，在有四个元素的 S- 参数矩阵 中只有3个独立的项，图12-8中所示的是由测量所得 二端口带状线的S-参数。
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图12-8 一条5-in长，接近50Ω的带状线二端口S-参数测量曲线，测量频率从 10MHz到20GHz，图中只绘出幅值。在每个频率点中，没有绘制每个矩阵元 素的相位值。用安捷伦的N5230 VNA测量
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二端口元器件包含 3 个独立的S-参数： S11 ， S22， S21。其中每个矩阵元素都是随频率而变化的复数。 请注意—— 人们称反射S-参数，即S11的幅值为返回损耗； 而称传输S-参数，即S21的幅值为插入损耗。
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12.8
均匀传输线S21的相位
对于S21，可以得到两项：
幅度(S21)＝
从端口2传出的正弦波幅度 从端口1传入的正弦波幅度
(12-13)
相位(S21)＝相位(从端口2出)-相位(从端口1入) (12-14)
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当我们比较从端口2传出的正弦波相位与传入端口1 的正弦波相位时，是同一时刻瞬间所呈现的相位，图 12-15描绘了这一情况。
00相位
TD时刻为00相位
TD时刻相位超前 了f×TD
图12-15 正弦波沿传输线传播，由于入射相位超前，S21的相 位为负
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当我们计算S21的相位时，也就是从端口2传出的正 弦波相位减去传入端口1的正弦波相位，此时从端口2 出去的相位可能是0度，但进入到端口1的相位前进到 f×TD。这就意味着S21的相位是：
相位(S21)＝0 -f×TD × 360
其中： f表示传入端口1的正弦波频率
0
0
(12-15)
TD表示传输线时延
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S21的相位开始为负，并且随着频率的升高负值增大。穿过传 输线的S21相位是负向增大的。
下面的图 12-16 中所显示是对一个带状线 S21 的相位 测量。
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图12-16 一条均匀50Ω带状线的相位测量，大约5in长，测量范围10MHz到 5GHz。用安捷伦N5230VNA测量，用安捷伦PLTS显示
通常把相位定义为从 -180 度到 +180 度。当相位前进到 -180 度时，把它置为 +180 度然后继续计算下去。这就产生了 S21相位的典型锯齿模式。
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12.9
均匀传输线S21的幅值
插入损耗幅值是互连能量传输情况的测量。流入互 连总能量等于传出总能量。能量有五种方式传出： ? 传入端口2的能量，即作为S21部分被测量； ? 辐射； ? 互连中转化为热能的损耗； ? 耦合到相邻走线的能量，无论是否被测量； ? 反射回源端的能量。 大部分应用中，辐射损耗对S21影响微不足道。
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互连中转换为热能的损耗是由于导线损耗和介质损 耗所引起的。当所有其它影响S21的机理都被忽略，在 用 dB 测量时，插入损耗是对互连衰减的直接测量。图 12-17中所示是插入损耗的测量。
图12-17 对5in 带状线插入损耗的测量。用安捷伦测量显示
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电源完整性设计 作者:于博士 一、为什么要重视电源噪声 芯片内部有成千上万个晶体管，这些晶体管组成内部的门电路、组合逻辑、寄存器、计数器、延迟线、状态机、以及其他逻辑功能。随着芯片的集成度越来越高，内部晶体管数量越来越大。芯片的外部引脚数量有限，为每一个晶体管提供单独的供电引脚是不现实的。芯片的外部电源引脚提供给内部晶体管一个公共的供电节点，因此内部晶体管状态的转换必然引起电源噪声在芯片内部的传递。 对内部各个晶体管的操作通常由内核时钟或片内外设时钟同步，但是由于内部延时的差别，各个晶体管的状态转换不可能是严格同步的，当某些晶体管已经完成了状态转换，另一些晶体管可能仍处于转换过程中。芯片内部处于高电平的门电路会把电源噪声传递到其他门电路的输入部分。如果接受电源噪声的门电路此时处于电平转换的不定态区域，那么电源噪声可能会被放大，并在门电路的输出端产生矩形脉冲干扰，进而引起电路的逻辑错误。芯片外部电源引脚处的噪声通过内部门电路的传播，还可能会触发内部寄存器产生状态转换。 除了对芯片本身工作状态产生影响外，电源噪声还会对其他部分产生影响。比如电源噪声会影响晶振、PLL、DLL的抖动特性，AD转换电路的转换精度等。解释这些问题需要非常长的篇幅，本文不做进一步介绍，我会在后续文章中详细讲解。 由于最终产品工作温度的变化以及生产过程中产生的不一致性，如果是由于电源系统产生的问题，电路将非常难调试，因此最好在电路设计之初就遵循某种成熟的设计规则，使电源系统更加稳健。 二、电源系统噪声余量分析 绝大多数芯片都会给出一个正常工作的电压范围，这个值通常是±5%。例如：对于3.3V 电压，为满足芯片正常工作，供电电压在3.13V到3.47V之间，或3.3V±165mV。对于1.2V 电压，为满足芯片正常工作，供电电压在1.14V到1.26V之间，或1.2V±60mV。这些限制可以在芯片datasheet中的recommended operating conditions部分查到。这些限制要考虑两个部分，第一是稳压芯片的直流输出误差，第二是电源噪声的峰值幅度。老式的稳压芯片
写在前言：作为一个还在layout门口徘徊的小虾米，贸然记录自己的学习想法是可笑的。但每个人并不是出生 就会成为大神。只不过有的人天分好，机遇也把握得当，在相对短的时间内，成为万众瞩目的高手。很可惜本 人天生愚钝，机遇又很差，在毕业后的三年里浑浑噩噩的憧憬自己的人生，做着自己不喜欢的工程，每天跟着 工程队奔波在广阔的祖国大地。不经意在工作的最后阶段接触到PCB设计。对于没有耐心和毅力的我，突然感 觉这才是我的人生方向，因为突然发现在绘制板图的时候，我可以很有耐心的拉扯每一条线，呵呵难道这一条 条显示屏上的线便是我的命运之线么？如饥似渴的读完买回来的书，又囫囵吞枣的大致看了两遍。感觉到一个 人的学习是空虚乏味的，于是想在咱们论坛与各位同我一样，还趴在门缝里仰慕者殿堂中的大神的新手们共同 体会我的学习体会。本人至今自学，没有老师带路，言语中的偏差错误，望各位高手给予我醍醐灌顶的指正。 在此感谢Eric Bogatin 感谢国内的翻译者李玉山、李丽平等，是他们让我趴在SI的门缝，让我有机会一窥我的 成神目标。让论坛记录成神的历程吧！哈哈有些夸口，目标定的太高，大家勿笑。 我的第一本SI教材：Signal integrity:simplified(信号完整性讲义)也是我目前唯一学习过的教材。废话不多说， 直接上酸菜！ 信号完整性问题十个基本准则：前三个为设计理念，后八个为设计思路。 影响研发进度并造成产品产品交货推迟，就是企业付出的最昂贵代价。 体会：在论坛中常常争论，是质量重要还是工期重要！我认为都重要，所有的工程都是一个平衡过程，而不是 单单一种。质量固然重要，但最重要的是适应性，因为整个工业流程中并不仅仅只是画线路板，最终交到消费 者手里才是完整的工艺流程。如果仅仅是为了吹毛求疵而耽误了工期，那么整个工业流程都会耽误。导致产品 上市时间推迟，损失不可计量。但为了赶工期，而设计出不合格的产品，那么只能说设计者能力不够。或者这 家公司没有这个实力在行业内生存。所以我个人认为：一个优秀的设计者最重要的能力是能够把握质量与工期 的平衡关系，在合适的工期内完成满足产品质量。至于大神我估计是在要求的工期内，使产品的质量得到飞跃。 1 b* N* h1 T3 _: k6 X5 U 二：提高高速产品设计效率的关键是：充分利用分析工具来实现准确的性能预测；使用测量手段来验证设计过程、降低风险、提高设计工具的可信度。 体会：还没用过仿真，认为仿真等的作用是提高可信度，降低风险。如果板级设计所留预量足够，可以简单的 用公式计算和经验来代替仿真。 三：将问题实质与表面现象剥离开的唯一可行的途径就是采用经验法则、解析近似、数值仿真或者测量工具来 获得数据。这是工程实践的本质。! B( Y8 p. B ] 体会：没做过仿真，不知道仿真所需时间。依我来看，以上所说应相对应工程的要求，如果所作产品要求不严格，或者裕量很大，最快的方法是采用经验法则。对于裕量在20~5%的可以采用解析近似。此书上大部分公式 及近似值都在10%-5%左右。对于要求更严格的裕量便可采用仿真。裕量大概在2-3%左右。比如DDR等。对于要求更严格的，建模无法满足精度的情况下，即需要直接用测量工具来测量。耗时应该说是逐层递加。 四：信号由信号路径和返回路径构成。一个信号在沿着传输线流动过程中每一时刻都会感受到特性阻抗。如果 瞬态阻抗为常数，则其信号质量将会获得奇迹般的改善。 体会：忘掉覆铜地的概念，在设计初期考虑信号线走向时，就要优先考虑地平面或其他信号返回路径。防止电 路板在绘制完信号线后，突然发现返回的地平面出现“濠”，导致高速信号线需要重新规划。单根传输线最优的 工作方式是点对点，源阻抗=传输线特性阻抗=负载阻抗。在特性阻抗恒定的情况下，Tr保持不变，变的仅仅是 信号的幅值。 不明：在线路规划时，一个芯片N个I/O口，而相对的地引脚很少。按照高速信号线返回路径为靠近信号线理论。岂不是在信号的接收端，N条信号线同时走在同一个GND引脚，便会造成信号返回线之间的串扰了么？这样做假设N条信号线同时工作，便会造成很严重的地弹么？芯片的设计原理是什么？- e. f, k7 @) F# { 五：把接地这一术语忘掉，因为它所造成的问题比用它来解决的问题还多。每一路信号都有返回路径。 体会：个人感觉同上。把接地等同于信号线设计，估计返工的情况大减。不要轻易相信覆铜的威力，覆铜不是 铺设地的万金油。并且不合理的覆铜还会引入其他问题，6 s% x) r; M9 K% z+ M3 r5 c 六：当电压变化时，电容上就有电流流过。对于信号的陡峭边，即使电路的PCB板边缘和悬空导线之间的空气 形成的边缘线电容也可能有很低的阻抗。 体会：电容的原理嘛，两个平行板之间只要有电压差就有电容的存在。电容的作用：隔直通交。会使陡峭的信 号进入别的导线中。Tr小导致两个问题：1.串扰的发生。2：特性阻抗的变化。两个问题都导致信号受干扰。电 容本质上属于一个电压源。. J( e) O2 U. i1 [ 七：电感与通过的电流所产生的磁力线匝数有本质关系。只要电流或者磁力线匝数发生改变，在导线的两端就 会产生电压。这一电压导致了反射噪声、串扰、开关噪声、地弹、轨道塌陷以及EMI。- r' E5 P% G, [: W" }, l 体会：电感并不是电感，而是磁场效应。改变磁场，便会产生阻碍磁场变化的电流。本质上属于一个电流源。 反射噪声原因：特性阻抗发生变化；串扰原因：切割磁力线，产生电流；开关噪声：概念不懂，明天查查。 八：当流经接地回路电感上的电流变化时，在接地回路导线上产生的电压称之为地弹。它是造成开关噪声和 EMI的内部机理。! a! ~1 L4 Q0 Y9 l3 g 体会：所谓“地弹”，是指芯片内部“地”电平相对于电路板“地”电平的变化现象。以电路板“地”为参考，就像是芯
于博士信号完整性研究网 https://www.doczj.com/doc/a82191936.html, 电源完整性设计详解 作者：于争 博士 2009年4月10日
目 录 1 为什么要重视电源噪声问题？....................................................................- 1 - 2 电源系统噪声余量分析................................................................................- 1 - 3 电源噪声是如何产生的？............................................................................- 2 - 4 电容退耦的两种解释....................................................................................- 3 - 4.1 从储能的角度来说明电容退耦原理。..............................................- 3 - 4.2 从阻抗的角度来理解退耦原理。......................................................- 4 - 5 实际电容的特性............................................................................................- 5 - 6 电容的安装谐振频率....................................................................................- 8 - 7 局部去耦设计方法......................................................................................- 10 - 8 电源系统的角度进行去耦设计..................................................................- 12 - 8.1 著名的Target Impedance（目标阻抗）..........................................- 12 - 8.2 需要多大的电容量............................................................................- 13 - 8.3 相同容值电容的并联........................................................................- 15 - 8.4 不同容值电容的并联与反谐振（Anti-Resonance）......................- 16 - 8.5 ESR对反谐振（Anti-Resonance）的影响......................................- 17 - 8.6 怎样合理选择电容组合....................................................................- 18 - 8.7 电容的去耦半径................................................................................- 20 - 8.8 电容的安装方法................................................................................- 21 - 9 结束语..........................................................................................................- 24 -
现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。 (一)Ansoft公司的仿真工具 现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。 Ansoft的信号完整性工具采用一个仿真可解决全部设计问题： SIwave是一种创新的工具，它尤其适于解决现在高速PCB和复杂IC封装中普遍存在的电源输送和信号完整性问题。 该工具采用基于混合、全波及有限元技术的新颖方法，它允许工程师们特性化同步开关噪声、电源散射和地散射、谐振、反射以及引线条和电源/地平面之间的耦合。该工具采用一个仿真方案解决整个设计问题，缩短了设计时间。 它可分析复杂的线路设计，该设计由多重、任意形状的电源和接地层，以及任何数量的过孔和信号引线条构成。仿真结果采用先进的3D图形方式显示，它还可产生等效电路模型，使商业用户能够长期采用全波技术，而不必一定使用专有仿真器。 (二)SPECCTRAQuest Cadence的工具采用Sun的电源层分析模块： Cadence Design Systems的SpecctraQuest PCB信号完整性套件中的电源完整性模块据称能让工程师在高速PCB设计中更好地控制电源层分析和共模EMI。 该产品是由一份与Sun Microsystems公司签署的开发协议而来的，Sun最初研制该项技术是为了解决母板上的电源问题。 有了这种新模块，用户就可根据系统要求来算出电源层的目标阻抗；然后基于板上的器件考虑去耦合要求，Shah表示，向导程序能帮助用户确定其设计所要求的去耦合电容的数目和类型；选择一组去耦合电容并放置在板上之后，用户就可运行一个仿真程序，通过分析结果来发现问题所在。 SPECCTRAQuest是CADENCE公司提供的高速系统板级设计工具，通过它可以控制与PCB layout相应的限制条件。在SPECCTRAQuest菜单下集成了一下工具： （1）SigXplorer可以进行走线拓扑结构的编辑。可在工具中定义和控制延时、特性阻抗、驱动和负载的类型和数量、拓扑结构以及终端负载的类型等等。可在PCB详细设计前使用此工具，对互连线的不同情况进行仿真，把仿真结果存为拓扑结构模板，在后期详细设计中应用这些模板进行设计。 （2）DF/Signoise工具是信号仿真分析工具，可提供复杂的信号延时和信号畸变分析、IBIS 模型库的设置开发功能。SigNoise是SPECCTRAQUEST SI Expert和SQ Signal Explorer Expert进行分析仿真的仿真引擎，利用SigNoise可以进行反射、串扰、SSN、EMI、源同步及系统级的仿真。 （3）DF/EMC工具——EMC分析控制工具。 （4）DF/Thermax——热分析控制工具。 SPECCTRAQuest中的理想高速PCB设计流程： 由上所示，通过模型的验证、预布局布线的space分析、通过floorplan制定拓朴规则、由规
电源完整性理论基础 ------- 阿鸣随着PCB设计复杂度的逐步提高，对于信号完整性的分析除了反射，串扰以及EMI之外，稳定可靠的电源供应也成为设计者们重点研究的方向之一。尤其当开关器件数目不断增加，核心电压不断减小的时候，电源的波动往往会给系统带来致命的影响，于是人们提出了新的名词：电源完整性，简称PI(power integrity)。其实，PI和SI是紧密联系在一起的，只是以往的EDA仿真工具在进行信号完整性分析时，一般都是简单地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，这种假设显然是越来越不能被接受的，于是PI的研究分析也应运而生。从广义上说，PI是属于SI研究范畴之内的，而新一代的信号完整性仿真必须建立在可靠的电源完整性基础之上。虽然电源完整性主要是讨论电源供给的稳定性问题，但由于地在实际系统中总是和电源密不可分，通常把如何减少地平面的噪声也作为电源完整性中的一部分进行讨论。 一． 电源噪声的起因及危害 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的电感。从表现形式上来看又可以分为三类：同步开关噪声（SSN），有时被称为Δi噪声，地弹（Ground bounce）现象也可归于此类（图1-a）；非理想电源阻抗影响（图1-b）；谐振及边缘效应（图1-c）。
对于一个理想的电源来说，其阻抗为零，在平面任何一点的电位都是保持恒定的（等于系统供给电压），然而实际的情况并不如此，而是存在很大的噪声干扰，甚至有可能影响系统的正常工作，见图2： 开关噪声给信号传输带来的影响更为显著，由于地引线和平面存在寄生电感，在开关电流的作用下，会造成一定的电压波动，也就是说器件的参考地已经不再保持零电平，这样，在驱动端（见图3-a），本来要发送的低电平会出现相应的噪声波形，相位和地面噪声相同，而对于开关信号波形来说，会因为地噪声的影响导致信号的下降沿变缓；在接收端（见图3-b），信号的波形同样会受到地噪声的干扰，不过这时的干扰波形和地噪声相位相反；另外，在一些存储性器件里，还有可能因为本身电源和地噪声的影响造成数据意外翻转（图3-c）。 从前面的图3-c我们可以看到，电源平面其实可以看成是由很多电感和电容构成的网络，也可以看成是一个共振腔，在一定频率下，这些电容和电感会发生谐振现象，从而影响电源层的阻抗。比如一个8英寸×9英寸的PCB空板，板材是普通的FR4，电源和地之间的间距为4.5Mils，随着频率的增加，电源阻抗是不断变化的，尤其是在并联谐振效应显著的时候，电源阻抗也随之明显增加（见图4）。
作者简介：曹宇（１９６９－），男，上海人，硕士，工程师． 第６卷第 ６期 ２００６年１２月泰州职业技术学院学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴａｉｚｈｏｕＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅＶｏｌ．６Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２００６摘要：针对高速数字电路印刷电路板的板级信号完整性，分析了ＩＢＩＳ模型在板级信号完整 性分析中的作用。利用ＡＤＳ仿真软件，采用电磁仿真建模和电路瞬态仿真测试了某个 实际电路版图，给出了实际分析结果。 关键词：信号完整性；ＩＢＩＳ；仿真；Ｓ参数 中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－０１４２（２００６）０６－００３０－０３ 信号完整性（ＳＩ，ＳｉｇｎａｌＩｎｔｅｇｒｉｔｙ）的概念是针对高速数字信号提出来的。以往的数字产品，其时钟或数据频率在几十兆之内时，信号的上升时间大多在几个纳秒，甚至几十纳秒以上。数字化产品设计工程师关注最多的是“数字设计”保证逻辑正确。随着数字技术的飞速发展，原先只是在集成电路芯片设计中需要考虑的问题［１］在ＰＣＢ板级设计中正在逐步显现出来，并由此提出了信号完整性的概念。 在众多的讲述信号完整性的论文和专著中［２，３］，对信号完整性的描述都是从信号传输过程中可能出现的问题（比如串扰，阻抗匹配，电磁兼容，抖动等）本身来讨论信号完整性，对信号完整性没有一个统一的定义。事实上，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，这个还原程度是指在指定的收发参考端口，发送芯片输出处及接收芯片输入处的波形需满足系统设计的要求［４］。 １、板级信号完整性分析 １．１信号完整性分析内容的确定 信号完整性分析工作是一项产品开发全流程工作，从产品设计阶段开始一直延续到产品定型。ＰＣＢ板级设计同样如此。在系统设计阶段，产品还没有进入试制，需要建立相应的系统模型并得到仿真结果以验证设计思想和设计体系正确与否，这个阶段称前仿真；前仿真通过后，产品投入试制，样品出来后再进行相应的测试和仿真，这个阶段称后仿真。假如将每一块ＰＣＢ板视为一个系统，影响这个系统正常工作的信号问题涉及到所有的硬件和软件，包括芯片、封装、ＰＣＢ物理结构、电源及电源传输网络和协议。 对系统所有部分都进行仿真验证是不现实的。应根据系统设计的要求选定部分内容进行测试仿真。本文所提及的“板级信号完整性分析”仅针对芯片引脚和走线的互连状态分析。 当被传输的信号脉冲时间参量（如上升时间、传输时间等）已缩短至和互连线上电磁波传输时间处于同一个量级时，信号在互连线上呈现波动效应，应采用微波传输线或分布电路的模型来对待互连线，从而产生了时延、畸变、回波、相邻线之间的干扰噪声等所谓的“互连效应”［１］。 假设ＰＣＢ板上芯片引脚的输入输出信号都是“干净”的，那么只要考虑互连线路本身的互连效应。事实上，每个芯片引脚在封装时都有其独特的线路特性，这些特性是由其内部的晶体管特性决定的，同样的信号在不同引脚上的传输效率差异很大。因此，在分析信号传输的互连效应时必须考虑芯片内部的电路特性以提取相对准确的电路模型，并在此基础上作进一步的分析。这个模型就是在业界被广泛使用的ＩＢＩＳ模型。 １．２ＩＢＩＳ标准模型的建立 ＰＣＢ板级信号完整性的仿真及应用 曹宇，丁志刚，宗宇伟 （上海计算机软件技术开发中心，上海２０１１１２）
电源完整性设计电容的安装方法 电容的安装方法 电容的摆放 对于电容的安装，首先要提到的就是安装距离。容值最小的电容，有最高的谐振频率，去耦半径最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距离稍远，最外层放置容值最大的。但是，所有对该芯片去耦的电容都尽量靠近芯片。下面的图14就是一个摆放位置的例子。本例中的电容等级大致遵循10倍等级关系。 图14 电容摆放位置示例 还有一点要注意，在放置时，最好均匀分布在芯片的四周，对每一个容值等级都要这样。通常芯片在设计的时候就考虑到了电源和地引脚的排列位置，一般都是均匀分布在芯片的四个边上的。因此，电压扰动在芯片的四周都存在，去耦也必须对整个芯片所在区域均匀去耦。如果把上图中的680pF电容都放在芯片的上部，由于存在去耦半径问题，那么就不能对芯片下部的电压扰动很好的去耦。 电容的安装 在安装电容时，要从焊盘拉出一小段引出线，然后通过过孔和电源平面连接，接地端也
是同样。这样流经电容的电流回路为：电源平面->过孔->引出线->焊盘->电容->焊盘->引出线->过孔->地平面，图15直观的显示了电流的回流路径。 图15 流经电容的电流回路 放置过孔的基本原则就是让这一环路面积最小，进而使总的寄生电感最小。图16显示了几种过孔放置方法。 图16 高频电容过孔放置方法 第一种方法从焊盘引出很长的引出线然后连接过孔，这会引入很大的寄生电感，一定要避免这样做，这时最糟糕的安装方式。 第二种方法在焊盘的两个端点紧邻焊盘打孔，比第一种方法路面积小得多，寄生电感也较小，可以接受。 第三种在焊盘侧面打孔，进一步减小了回路面积，寄生电感比第二种更小，是比较好的
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什么是信号完整性? 如果你发现，以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了，同样的设计，以前没问题，可是现在却无法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件设计中最核心的问题：信号完整性。早一天遇到，对你来说是好事。 在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常几个ns。器件间的互连线不至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。但在今天的高速时代，随着IC输出开关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，1.2v内核电压已经很常见了。因此系统能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。 广义上讲，信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题，它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后，如何影响到产品性能的问题。主要表现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。 信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。即使布线拓扑结构没有变化，如果采用了信号上升时间很小的IC芯片，现有设计也将处于临界状态或者停止工作。 下面谈谈几种常见的信号完整性问题。 反射： 图1显示了信号反射引起的波形畸变。看起来就像振铃，拿出你制作的电路板，测一测各种信号，比如时钟输出或是高速数据线输出，看看是不是存在这种波形。如果有，那么你该对信号完整性问题有个感性的认识了，对，这就是一种信号完整性问题。 很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻，至于为什么，他们中很多人都说不清楚，他们会说，很多成熟设计上都有，照着做的。或许你知道，可是确实很多人说不清这个小小电阻的作用，包括很多有了三四年经验的硬件工程师，很惊讶么?可这确实是事实，我碰到过很多。其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。而且随着电阻的加大，振铃会消失，但你会发现信号上升沿不再那么陡峭了。这个解决方法叫阻抗匹配，奥，对了，一定要注意阻抗匹配，阻抗在信号完整性问题中占据着极其重要的
如何实现电源PCB板完整性的设计 在电路设计中，一般我们很关心信号的质量问题，但有时我们往往局限在信号线上进行研究，而把电源和地当成理想的情况来处理，虽然这样做能使问题简化，但在高速设计中，这种简化已经是行不通的了。尽管电路设计比较直接的结果是从信号完整性上表现出来的，但我们绝不能因此忽略了电源完整性设计。因为电源完整性直接影响最终PCB板的信号完整性。电源完整性和信号完整性二者是密切关联的，而且很多情况下，影响信号畸变的主要原因是电源系统。例如，地反弹噪声太大、去耦电容的设计不合适、回路影响很严重、多电源/地平面的分割不好、地层设计不合理、电流不均匀等等。 （1）电源分配系统 电源完整性设计是一件十分复杂的事情，但是如何近年控制电源系统（电源和地平面）之间阻抗是设计的关键。理论上讲，电源系统间的阻抗越低越好，阻抗越低，噪声幅度越小，电压损耗越小。实际设计中我们可以通过规定最大的电压和电源变化范围来确定我们希望达到的目标阻抗，然后，通过调整电路中的相关因素使电源系统各部分的阻抗（与频率有关）目标阻抗去逼近。 （2）地反弹 当高速器件的边缘速率低于0.5ns时，来自大容量数据总线的数据交换速率特别快，当它在电源层中产生足以影响信号的强波纹时，就会产生电源不稳定问题。当通过地回路的电流变化时，由于回路电感会产生一个电压，当上升沿缩短时，电流变化率增大，地反弹电压增加。此时，地平面（地线）已经不是理想的零电平，而电源也不是理想的直流电位。当同时开关的门电路增加时，地反弹变得更加严重。对于128位的总线，可能有50_100个I/O线在相同的时钟沿切换。这时，反馈到同时切换的I/O驱动器的电源和地回路的电感必须尽可能的低，否则，连到相同的地上的静止将出现一个电压毛刷。地反弹随处可见，如芯片、封装、连接器或电路板上都有可能会出现地反弹，从而导致电源完整性问题。 从技术的发展角度来看，器件的上升沿将只会减少，总线的宽度将只会增加。保持地反弹在可接受的唯一方法是减少电源和地分布电感。对于，芯片，意味着，移到一个阵列晶片，
基于Cadence Allegro SI 16.3的信号完整性仿真 信号完整性是指信号在信号线上的质量。信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。差的信号完整性不是由某一因素导致的，而是由板级设计中多种因素共同引起的。特别是在高速电路中，所使用的芯片的切换速度过快、端接元件布设不合理、电路的互联不合理等都会引起信号的完整性问题。具体主要包括串扰、反射、过冲与下冲、振荡、信号延迟等。 信号完整性问题由多种因素引起，归结起来有反射、串扰、过冲和下冲、振铃、信号延迟等，其中反射和串扰是引发信号完整性问题的两大主要因素。 反射和我们所熟悉的光经过不连续的介质时都会有部分能量反射回来一样，就是信号在传输线上的回波现象。此时信号功率没有全部传输到负载处，有一部分被反射回来了。在高速的PCB中导线必须等效为传输线，按照传输线理论，如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。如果二者阻抗不匹配就会引起反射，负载会将一部分电压反射回源端。根据负载阻抗和源阻抗的关系大小不同，反射电压可能为正，也可能为负。如果反射信号很强，叠加在原信号上，很可能改变逻辑状态，导致接收数据错误。如果在时钟信号上可能引起时钟沿不单调，进而引起误触发。一般布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素均会导致此类反射。另外常有一个输出多个接收，这时不同的布线策略产生的反射对每个接收端的影响也不相同，所以布线策略也是影响反射的一个不可忽视的因素。 串扰是相邻两条信号线之间的不必要的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。因此也就把它分为感性串扰和容性串扰，分别引发耦合电流和耦合电压。当信号的边沿速率低于1ns时，串扰问题就应该考虑了。如果信号线上有交变的信号电流通过时，会产生交变的磁场，处于磁场中的相邻的信号线会感应出信号电压。一般PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及信号线的端接方式对串扰都有一定的影响。在Cadence 的信号仿真工具中可以同时对6条耦合信号线进行串扰后仿真，可以设置的扫描参数有：PCB 的介电常数，介质的厚度，沉铜厚度，信号线长度和宽度，信号线的间距．仿真时还必须指定一个受侵害的信号线，也就是考察另外的信号线对本条线路的干扰情况，激励设置为常高或是常低，这样就可以测到其他信号线对本条信号线的感应电压的总和，从而可以得到满足要求的最小间距和最大并行长度。 过冲是由于电路切换速度过快以及上面提到的反射所引起的信号跳变，也就是信号第一个峰值超过了峰值或谷值的设定电压。下冲是指下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效，严重的还会损坏器件。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误。它们可以通过增加适当端接予以减少或消除。 在Cadence的信号仿真软件中，将以上的信号完整性问题都放在反射参数中去度量。在接收和驱动器件的IBIS模型库中，我们只需要设置不同的传输线阻抗参数、电阻值、信号传输速率以及选择微带线还是带状线，就可以通过仿真工具直接计算出信号的波形以及相应的数据，这样就可以找出匹配的传输线阻抗值、电阻值、信号传输速率，在对应的PCB软件Allegro中，就可以根据相对应的传输线阻抗值和信号传输速率得到各层中相对应信号线的宽度(需提前设好叠层的顺序和各参数)。选择电阻匹配的方式也有多种，包括源端端接和并行端接等，根据不同的电路选择不同的方式。在布线策略上也可以选择不同的方式：菊花型、星型、自定义型，每种方式都有其优缺点，可以根据不同的电路仿真结果来确定具体的选择方式。
信号完整性之初识信号反射 版本号更改描述更改人日期 1.0 第一次撰稿 eco 2013-10-19 E-mial：zhongweidianzikeji@https://www.doczj.com/doc/a82191936.html, QQ：2970904654 反射产生的原因 在《和信号完整性有关的几个概念》中我们已经简单的介绍了“反射”这厮。在下认为 “信号反射”在电路中是不可避免的，不论是高速电路还是低速电路。而我们只能用一些办 法去优化电路，去优化PCB的布局布线，从而降低反射的大小或者在信号反射时避免对电 路的操作。 为什么信号反射无法完全消除，在高速和低速电路中都会存在，在下鄙见如下： V = 3x10^8 / sqrξ 式1 其中：V是带状线中信号传播的速度（m/s），3x10^8是光速(m/s)，ξ是介电常数。 由式1可知，信号的传播速度只与物质的介电常数有关，在基材相同的情况下，不论在 高速电路中还是在低速电路中信号都会以相同的速度传播。在基材为FR4的电路板中，介 电常数ξ一般为4左右，由式1我们可以计算出信号的传播速度V = 3x10^8 / sqr(4) = 1.5x10^8 m/s,转换单位后约为6in/ns，这就是为什么很多资料上喊信号在FR4材料中的传 播速度为6in/ns（注：1mil = 0.0254mm； 1inch = 25.4mm。对于这个单位转化，感兴趣 的人一定要自己计算计算，享受过程可以让你更快乐更智慧哦）。1.5x10^8 m/s（6in/ns） 速度极快了吧，设想山间小溪，小溪中的水流以1.5x10^8 m/s流动，流动中突遇一石头便 会荡起无数涟漪，迸射无数水花。溪中这块石头意味着阻抗失配。综上所述，我们姑且把这 水流现象近似看作电路中的信号反射。 为了给大家一个直观的感受，在下从网上找了两张图片，见图1、图2。很多时候有些 东西是说不清道不明的，关键看大家如何去想，如何去悟。我建议大家应该看着这个水流冥 想一下。 图1 这就是电流
DesignCon 2011 Signal and Power Integrity for a 1600 Mbps DDR3 PHY in Wirebond Package June Feng, Rambus Inc. [Email: jfeng@https://www.doczj.com/doc/a82191936.html,] Ralf Schmitt, Rambus Inc. Hai Lan, Rambus Inc. Yi Lu, Rambus Inc.
Abstract A DDR3 interface for a data rate of 1600MHz using a wirebond package and a low-cost system environment typical for consumer electronics products was implemented. In this environment crosstalk and supply noise are serious challenges and have to be carefully optimized to meet the data rate target. We are presenting the signal and power integrity analysis used to optimize the interface design and guarantee reliable system operation at the performance target under high-volume manufacturing conditions. The resulting DDR3 PHY was implemented in a test chip and achieves reliable memory operations at 1600MHz and beyond. Authors Biography June Feng received her MS from University of California at Davis, and BS from Beijing University in China. From 1998 to 2000, she was with Amkor Technology, Chandler, AZ. She was responsible for BGA package substrate modeling and design and PCB characterization. In 2000, she joined Rambus Inc and is currently a senior member of technical staff. She is in charge of performing detailed analysis, modeling, design and characterization in a variety of areas including high-speed, low cost PCB layout and device packaging. Her interests include high-speed interconnects modeling, channel VT budget simulation, power delivery network modeling and high-frequency measurements. Ralf Schmitt received his Ph.D. in Electrical Engineering from the Technical University of Berlin, Germany. Since 2002, he is with Rambus Inc, Los Altos, California, where he is a Senior Manager leading the SI/PI group, responsible for designing, modeling, and implementing Rambus multi-gigahertz signaling technologies. His professional interests include signal integrity, power integrity, clock distribution, and high-speed signaling technologies. Hai Lan is a Senior Member of Technical Staff at Rambus Inc., where he has been working on on-chip power integrity and jitter analysis for multi-gigabit interfaces. He received his Ph.D. in Electrical Engineering from Stanford University, M.S. in Electrical and Computer Engineering from Oregon State University, and B.S. in Electronic Engineering from Tsinghua University in 2006, 2001, and 1999, respectively. His professional interests include design, modeling, and simulation for mixed-signal integrated circuits, substrate noise coupling, power and signal integrity, and high-speed interconnects. Yi Lu is a senior systems engineer at Rambus Inc. He received the B.S. degree in electrical engineer and computer science from U.C. Berkeley in 2002 with honors. In 2004, he received the M.S. degree in electrical engineering from UCLA, where he designed and fabricated a 3D MEMS microdisk optical switch. Since joining Rambus in 2006, he has been a systems engineer designing various memory interfaces including XDR1/2 and DDR2/3.
PI:聊聊电源完整性（PI）仿真(转) 首先，咱们先来讨论一下电源完整性的概念，电源完整性（PI，Power Integrity)就是为板级系统提供一个稳定可靠的电源分配系统（PDS）。实质上是要使系统在工作时，电源、地噪声得到有效的控制，在一个很宽的频带范围内为芯片提供充足的能量，并充分抑制芯片工作时所引起的电压波动、辐射及串扰。 今天，一起来聊聊电源完整性仿真的必要性：随着超大规模集成电路工艺的发展，芯片工作电压越来越低，而工作速度越来越快，功耗越来越大，单板的密度也越来越高，因此对电源供应系统在整个工作频带内的稳定性提出了更高的要求。电源完整性设计的水平直接影响着系统的性能，如整机可靠性，信噪比与误码率，及EMI/EMC等重要指标。板级电源通道阻抗过高和同步开关噪声SSN过大会带来严重的电源完整性问题，这些会给器件及系统工作稳定性带来致命的影响。PI设计就是通过合理的平面电容、分立电容、平面分割应用确保板级电源通道阻抗满足要求，确保板级电源质量符合器件及产品要求，确保信号质量及器件、产品稳定工作。 电源完整性PI与信号完整性SI的相互影响：从整个仿真领域来看，刚开始大家都把注意力放在信号完整性上，但是实际上电源完整性和信号完整性是相互影响相互制约的。电源、地平面在供电的同时也给信号线提供参考回路，直接决定回流路径，从而影响信号的完整性；同样信号完整性的不同处理方法也会给电源系统带来不同的冲击，进而影响电源的完整性设计。所以对电源完整性和信号的完整性地融会贯通是很有益处的。设计工程师在掌握了信号完整性设计方法之后，充实电源完整性设计知识显得很有必要。 电源完整性研究的内容：电源完整性仿真的内容很多，但主要的几个方面如下： 1：板级电源通道阻抗仿真分析，在充分利用平面电容的基础上，通过仿真分析确定旁路电容的数量、种类、位置等，以确保板级电源通道阻抗满足器件稳定工作要求。 2：板级直流压降仿真分析，确保板级电源通道满足器件的压降限制要求。
SI五款信号完整性仿真工具介绍 (一)Ansoft公司的仿真工具 现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。 Ansoft的信号完整性工具采用一个仿真可解决全部设计问题： SIwave是一种创新的工具，它尤其适于解决现在高速PCB和复杂IC封装中普遍存在的电源输送和信号完整性问题。 该工具采用基于混合、全波及有限元技术的新颖方法，它允许工程师们特性化同步开关噪声、电源散射和地散射、谐振、反射以及引线条和电源/地平面之间的耦合。该工具采用一个仿真方案解决整个设计问题，缩短了设计时间。 它可分析复杂的线路设计，该设计由多重、任意形状的电源和接地层，以及任何数量的过孔和信号引线条构成。仿真结果采用先进的3D图形方式显示，它还可产生等效电路模型，使商业用户能够长期采用全波技术，而不必一定使用专有仿真器。 (二)SPECCTRAQuest Cadence的工具采用Sun的电源层分析模块： Cadence Design Systems的SpecctraQuest PCB信号完整性套件中的电源完整性模块据称能让工程师在高速PCB设计中更好地控制电源层分析和共模EMI。 该产品是由一份与Sun Microsystems公司签署的开发协议而来的，Sun最初研制该项技术是为了解决母板上的电源问题。 有了这种新模块，用户就可根据系统要求来算出电源层的目标阻抗；然后基于板上的器件考虑去耦合要求，Shah表示，向导程序能帮助用户确定其设计所要求的去耦合电容的数目和类型；选择一组去耦合电容并放置在板上之后，用户就可运行一个仿真程序，通过分析结果来发现问题所在。 SPECCTRAQuest是CADENCE公司提供的高速系统板级设计工具，通过它可以控制与PCB layout相应的限制条件。在SPECCTRAQuest菜单下集成了一下工具： （1）SigXplorer可以进行走线拓扑结构的编辑。可在工具中定义和控制延时、特性阻抗、驱动和负载的类型和数量、拓扑结构以及终端负载的类型等等。可在