G網(wǎng)絡(luò)與PCB信號完整性問題

信號完整性問題
 

1、信號完整性的定義

 信號完整性（SignalIntegrity），是指信號未受到損傷的一種狀態(tài)。它表明信號通過信號線傳輸后仍保持其正確的功能特性，信號在電路中能以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)，由IC的時(shí)序可知，如果信號在穩(wěn)態(tài)時(shí)間(為了正確識別和處理數(shù)據(jù)，IC要求在時(shí)鐘邊沿前后輸入數(shù)據(jù)保持不變的時(shí)間段)內(nèi)發(fā)生了較大的跳變，IC就可能誤判或丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)。若信號具有良好的信號完整性，則電路具有正確的時(shí)序關(guān)系和信號幅度，數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)錯(cuò)誤的捕獲，意味著收端能夠得到比較純凈的數(shù)據(jù)。相反，若出現(xiàn)誤觸發(fā)、阻尼振蕩、過沖、欠沖等信號完整性故障，就會引起任意的信號跳變，導(dǎo)致輸入的畸變數(shù)據(jù)被送入鎖存，或在畸變的時(shí)鐘跳變沿捕獲數(shù)據(jù)，信號不能正常響應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)工作異常，性能下降。圖2給出了信號完整性的仿真結(jié)果。

 2、信號完整性的起因及表現(xiàn)

 信號完整性源于電路的互連（比如導(dǎo)線、襯底和阱）。由于一段導(dǎo)線并不僅僅是電子的導(dǎo)體，在低頻段呈電阻性，在中頻段呈電容性，在高頻段成電感性，到甚高頻時(shí)則變成了輻射天線。正是這種天線效應(yīng)，導(dǎo)致了信號串?dāng)_和電磁干擾（EMI）。由于導(dǎo)體中載流子與原子和晶粒的相互作用產(chǎn)生了電阻，隨著特性尺寸壓縮到0.5μm以下，集膚效應(yīng)使金屬表面電阻的下降比斷面電阻下降慢，而造成信號完整性損傷。由于獨(dú)立電壓過近的結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的電容效應(yīng)隨著布線間距的減小而增大，對信號的傳輸特性產(chǎn)生更大的潛在影響。由引線尺寸和返回路徑所決定的電感效應(yīng)，成為封裝和電路板設(shè)計(jì)主要關(guān)心的因素。當(dāng)IC尺寸低于0.5μm時(shí)，電感效應(yīng)就變得十分明顯。兩條平行走線間會存在明顯的互感，而一些噪聲會隨之耦合到邏輯電路中，導(dǎo)致信號呈現(xiàn)出與低頻設(shè)計(jì)中截然不同的現(xiàn)象。數(shù)字系統(tǒng)容忍信號完整性問題的能力是有限的，信號完整性問題達(dá)到一定程度就有可能使系統(tǒng)性能下降，甚至根本不工作。仿真試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，IC開關(guān)速度過高、端接元件的布局欠妥、電路的互連不合理等都會引起信號完整性問題。信號完整性主要包括反射、串?dāng)_、振蕩、地彈等。

 信號反射

 信號反射(reflection)即傳輸線上的回波。信號功率的一部分經(jīng)傳輸線傳給了負(fù)載，另一部分則向源端反射。在高速設(shè)計(jì)中，可以把導(dǎo)線等效為傳輸線，而不是集中參數(shù)電路中的導(dǎo)線，通過考察其在不同頻率下的阻抗，來研究其傳輸效應(yīng)。若邊沿速率高達(dá)1V/ns（即dV/dt），那么短于0.5英寸的導(dǎo)線就可以建成T型集中參數(shù)的RLC（或RC、LC）模型，并且由多個(gè)T型級聯(lián)組合成更長的傳輸線。為減小仿真的運(yùn)算量，也可建立連續(xù)傳輸線模型。如果阻抗匹配（源端阻抗、傳輸線阻抗與負(fù)載阻抗相等），反射就不會發(fā)生。反之，若負(fù)載阻抗與傳輸線阻抗失配會導(dǎo)致收端反射。布線的幾何形狀、不適當(dāng)?shù)亩私印⒔?jīng)過連接器的傳輸及電源平面不連續(xù)等因素均會導(dǎo)致信號反射。

 信號過沖和下沖

 信號過沖(overshoot)指信號跳變的第一個(gè)峰值（或谷值）超過規(guī)定值--對于上升沿是指最高電壓，而對于下降沿是指最低電壓。下沖(undershoot)指信號跳變的下一個(gè)谷值（或峰值）。信號過沖和下沖是由IC切換速率過高以及信號傳輸路徑反射引起的，在驅(qū)動器和接收器之間的多次反射會形成阻尼振蕩，若振蕩幅度超過IC的輸入切換門限，導(dǎo)致時(shí)鐘出錯(cuò)或數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤接收，過大的過沖還可能造成IC內(nèi)部的元件過壓，甚至損壞。

 信號串?dāng)_

 信號串?dāng)_(cross-talk)是沒有電氣連接的信號線之間的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流產(chǎn)生的電磁耦合現(xiàn)象。這種耦合會使信號線起到天線的作用，其電容性耦合引發(fā)耦合電流，感性耦合引發(fā)耦合電壓，并且隨著時(shí)鐘速度的升高（導(dǎo)致邊沿速率升高）和設(shè)計(jì)尺寸的減小而加大。這是由于信號線上的交變信號電流通過時(shí)，會產(chǎn)生交變磁場，處于磁場中的其它信號線會感應(yīng)出信號電壓。在低頻段，導(dǎo)線間的耦合可以建立為耦合電容模型，在高頻段，可以建立為LC集中參數(shù)導(dǎo)線或傳輸線模型。PCB板層的參數(shù)、信號線間距、驅(qū)動端和接收端的電氣特性以及信號線端接方式對串?dāng)_都有一定的影響。

 電磁干擾

 電磁干擾與信號串?dāng)_相似，信號串?dāng)_是發(fā)生在PCB上的兩條傳輸線之間的耦合，電磁干擾是PCB上的傳輸線受到PCB外的輻射源（如測試探針或其它PCB板）的干擾。EMI建?？梢园褜?dǎo)線段視為偶極子天線處理。

 信號振蕩和環(huán)繞

 信號振蕩(ringing)和環(huán)繞（rounding）表現(xiàn)為信號反復(fù)出現(xiàn)過沖和下沖，在邏輯電平的門限上下抖動，振蕩呈欠阻尼狀態(tài)，而環(huán)繞呈過阻尼狀態(tài)。信號的振蕩和環(huán)繞主要是由傳輸線上過度的寄生電感和電容引起收端阻抗與源端均失配所造成的。同反射一樣，它們可以通過適當(dāng)?shù)亩私佑枰砸种啤Ｍǔ?，周期脈沖信號包含豐富的高次諧波而容易發(fā)生信號完整性故障，如時(shí)鐘信號，更應(yīng)多加防范。

 信號的遲延

 信號遲延表明數(shù)據(jù)或時(shí)鐘信號沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以一定的持續(xù)時(shí)間和幅度到達(dá)收端。IC只能按規(guī)定的時(shí)序接收數(shù)據(jù)，過多的信號遲延可能導(dǎo)致時(shí)序違背和功能的混亂。信號遲延是由驅(qū)動過載，走線過長的傳輸線效應(yīng)引起的。傳輸線上的等效電容、電感會對信號的數(shù)字切換產(chǎn)生時(shí)延，影響IC的建立時(shí)間和保持時(shí)間，時(shí)延過大時(shí)會導(dǎo)致IC無法正確判斷數(shù)據(jù)。

 接地反彈與襯底耦合

 接地反彈（Groundbounce）簡稱地彈，指由于電路中較大的電流涌動而在電源與地平面間產(chǎn)生大量噪聲的現(xiàn)象。如大量芯片同步切換時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)較大的瞬態(tài)電流從芯片與電源平面流過，芯片封裝與電源間的寄生電感、電容和電阻會引發(fā)電源噪聲，使得零電位平面上產(chǎn)生較大的電壓波動（可能高達(dá)2v），足以造成其它元器件的錯(cuò)誤動作。由于地平面的分割（數(shù)字地、模擬地、屏蔽地等），可能引起數(shù)字信號走到模擬地區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生地平面回流反彈。同樣電源平面分割，也可能出現(xiàn)同樣危害。負(fù)載容性的增大、阻性的減小、寄生參數(shù)的增大、切換速率增高以及同步切換數(shù)目的增加，均可能導(dǎo)致接地反彈增加。

 同時(shí)，襯底耦合（Underlaycoupling）可能使設(shè)計(jì)面臨更大的挑戰(zhàn)。在硅片設(shè)計(jì)中，由于襯底和阱具有有限的電阻率，其上流過電流時(shí)會產(chǎn)生一定的壓降。而MOSFET管的閾電壓（開啟）取決于在柵區(qū)下面的襯底（或阱）的有效電壓，這意味著任何襯底電流不僅能越過MOSFET管的閾電壓，而且能越過邏輯門或時(shí)鐘電路的閾電壓，使設(shè)計(jì)很不可靠。隨著水平尺度與垂直尺度的下降，襯底和阱層的電阻增大，情況就變得更壞。

 信號完整性的解決辦法

 對芯片設(shè)計(jì)，通常采用兩種方法解決信號完整性問題。其RF解決方案集中于傳輸線，常在封裝邊界上使用阻抗匹配辦法，而數(shù)字（即寬帶）解決方案則強(qiáng)調(diào)選擇封裝，控制同步切換數(shù)量和切換速度，在封裝外部電源引腳與地之間使用旁路電容，在IC內(nèi)部的電容則通過金屬層的重疊來實(shí)現(xiàn)，即為高速瞬態(tài)電流提供一個(gè)局部低阻抗通路，防止接地反彈。

 然而，當(dāng)面臨深亞微米設(shè)計(jì)中的信號完整性問題時(shí)，通常的解決方案不再適用。例如，限制邊沿速率（Slew rate）雖然能夠明顯地改善接地反彈和串?dāng)_，但它同時(shí)限制了時(shí)鐘速率。研究新的解決方法必須能夠適宜深亞微米的IC設(shè)計(jì)。如，增加襯底電阻問題可采用絕緣體上硅技術(shù)（SOI）來解決，這是在微米IC設(shè)計(jì)中被廣泛采用的技術(shù)?，F(xiàn)在，解決信號完整性問題的方法主要是，電路設(shè)計(jì)、合理布局和建模仿真。

 1、電路設(shè)計(jì)

 在電路設(shè)計(jì)過程中，通過設(shè)計(jì)控制同步切換輸出數(shù)量，同時(shí)控制各單元的最大邊沿速率（dI/dt和dV/dt），得到最低且可接受的邊沿速率，這可以有效地控制信號的完整性。也可為高輸出功能塊（如時(shí)鐘驅(qū)動器）選擇使用差分信號。比如，通常時(shí)鐘使用ECL信號或全擺幅的差分信號。對于應(yīng)用工程師，通常是在傳輸線上端接無源元件（電阻、電容和鐵氧體），來實(shí)現(xiàn)傳輸線與負(fù)載間的阻抗匹配。端接策略的選擇應(yīng)該是對增加元件數(shù)目、開關(guān)速度和功耗的折中。端接串聯(lián)電阻R或RC電路，應(yīng)該盡量靠近激勵(lì)端或接收端，并獲得阻抗匹配，同時(shí)，電阻R（如10Ω）可以消耗掉邏輯電路的無用直流功率，電容（如39PF）可以在滿足開關(guān)速度的條件下削弱阻尼振蕩強(qiáng)度，但同時(shí)須仔細(xì)選擇該電容，防止其引腳電感引起的振蕩（ringing）。

 2、合理布線

 布線是非常重要的。設(shè)計(jì)者應(yīng)該在不違背一般原則的前提下，利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，綜合多種可能的方案，優(yōu)化布線，消除各種潛在的問題。雖然有一些設(shè)計(jì)規(guī)則驅(qū)動的布線器有助于設(shè)計(jì)者優(yōu)化設(shè)計(jì)，但還沒有一種完全由用戶定制設(shè)計(jì)規(guī)則和完全支持信號完整性分析的布線器。布線工具應(yīng)該與全部寄生參數(shù)抽取相結(jié)合，以得到對于時(shí)滯率和時(shí)延的準(zhǔn)確預(yù)測。成功的布線器不僅應(yīng)有精確的寄生參數(shù)抽取，還能與信號完整性工具相結(jié)合，在發(fā)現(xiàn)信號完整性降到要求的閾值以下時(shí)，能夠割斷導(dǎo)線，重新布線。

 3、建模仿真

 合理地進(jìn)行電路建模仿真是最常見的解決辦法。在現(xiàn)代高速電路設(shè)計(jì)中，仿真分析顯示其優(yōu)越性。它給設(shè)計(jì)者準(zhǔn)確、直觀的設(shè)計(jì)結(jié)果，便于提早發(fā)現(xiàn)隱患，及時(shí)修改，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)成本。設(shè)計(jì)者應(yīng)對相關(guān)因素作合理估計(jì)，建立合理的模型。對于IC設(shè)計(jì)，電路的仿真必須在封裝的環(huán)境下進(jìn)行，仿真結(jié)果才能更接近鑄模后返回的硅片測試結(jié)果。由于信號完整性問題經(jīng)常作為間歇性錯(cuò)誤出現(xiàn)，因此重視同步切換控制、仿真和封裝，保證設(shè)計(jì)符合信號完整性要求，在硅片制造前解決問題。對于IC應(yīng)用，可利用仿真來選擇合理的端接元件和優(yōu)化元器件的布局，更容易識別潛在問題，并及時(shí)采取正確的端接策略和布局約束機(jī)制來解決相關(guān)的信號完整性問題。隨著時(shí)鐘頻率的增加和IC尺寸的持續(xù)下降，保持信號完整性對設(shè)計(jì)者來說越來越富有挑戰(zhàn)性，這使得建模仿真成為設(shè)計(jì)中不可或缺的環(huán)節(jié)。

 信號完整性仿真模型和工具簡介

 現(xiàn)在，用來分析信號完整性的仿真工具有很多，各具特色，可適當(dāng)選用。

 
1 SPICE模型
 
SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）模型發(fā)展最早，在IC業(yè)界已成為模擬晶體管電路描述的非正式標(biāo)準(zhǔn)。它基于晶體管和二極管特性參數(shù)建模，故運(yùn)算量非常大，運(yùn)算極為耗時(shí)（可能是幾天），因此用戶需要作仿真精度和運(yùn)算耗時(shí)的折中。SPICE模型一般不支持耦合線（或損耗線）的仿真，而這正是高速電路設(shè)計(jì)中信號完整性仿真的關(guān)鍵因素。

 
2 IBIS模型

 IBIS（Input/Output Buffer Information Specification）模型是反映芯片驅(qū)動和接收電氣特性的一種國際標(biāo)準(zhǔn)。它基于V/I曲線，對I/O BUFFER快速建模，它提供一種標(biāo)準(zhǔn)的文件格式來記錄如激勵(lì)源輸出阻抗、上升/下降時(shí)間及輸入負(fù)載等參數(shù)，非常適合做振蕩和串?dāng)_等高頻效應(yīng)的系統(tǒng)級計(jì)算與仿真。IBIS是一個(gè)簡單的模型，計(jì)算量小，速度快，精度高，已被廣泛采用。

 3 VHDL-AMS

 VHDL-AMS是針對模擬和混合信號行為的建模語言，它使用模擬方程和數(shù)字VHDL描述電路功能。它是一個(gè)相對較新的標(biāo)準(zhǔn)，還沒有廣泛的模型開發(fā)器基礎(chǔ)，也不被很多模擬器支持。在它被廣泛地用來作信號完整性仿真之前，模型仿真開發(fā)器的很多工作需要完成。

 4 Quantic EMC

 Quantic EMC 是信號完整性和EMC軟件模擬分析工具，是西門子公司專用的EMC分析工具，其OmegaPLUS是Quantic EMC在PC機(jī)上運(yùn)行的軟件。它運(yùn)用器件的VI模型，很方便地進(jìn)行信號完整性和EMI的仿真，其的功能強(qiáng)大、效率高。

 5 XTK

 XTK是Viewlogic公司在高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)HSSD（High SpeedSystem Design）領(lǐng)域研發(fā)的高性能的信號完整性分析工具，它可以準(zhǔn)確地分析復(fù)雜的PCB、MCM及多PCB板構(gòu)成的系統(tǒng)的信號質(zhì)量和傳輸線時(shí)延。XTK是一個(gè)串?dāng)_分析工具包，其中包含多種分析工具。

 6 LineSim與BoardSim

 LineSim和BoardSim是HyperLynx公司（PADS Software的子公司）開發(fā)的仿真工具。LineSim用在布線設(shè)計(jì)以前約束布線和各層的參數(shù)、設(shè)置時(shí)鐘的布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、選擇元器件的速率、診斷并避免信號完整性、電磁輻射及串?dāng)_等問題。BoardSim用于布線以后快速地分析設(shè)計(jì)中的信號完整性、電磁兼容性和串?dāng)_問題，生成串?dāng)_強(qiáng)度報(bào)告，區(qū)分并解決串?dāng)_問題。