信号及电源完整性分析与设计(第一讲)

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信号不完整,是高速信号遭遇高密度不当互连时出现 的直接结果。
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0.3 互连的范畴
电子产品都可看作元器件及其互连。从小到大都是不同
层次互连“编织”而成。三个典型的高密度互连载体为:
系统级芯片SOC、系统级电路板SOB、系统级封装SOP。
物理互连分为四个层次:芯片内连线、芯片封装、PCB
及整机系统连接。它们决定高速信号、数据和电源质量。
真实互连有:芯片内走线及过孔、压焊点、封装引线、引
脚;PCB板线接头、背板(backplane)、线条走线、过孔、连
接件;各种连接电缆。还有无源元件:电阻器、电容器、
电感器;以及介质、基板、屏蔽盒、机壳、机架等。有源
器件则被看作驱动器/接收器非线性宏模型。
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图0-1 五种PCB及系统级中的互连线条形式
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图0-7 互连上的远端串扰(蓝色)和近端串扰(红色)
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轨道塌陷/电源噪声及电源完整性(PI)
地弹是返回路径中两点间的非正常瞬变压降,通常由 电流的突变引起。当流经返回路径电感的电流突变时,
在电感上产生的电压降就是地弹。
电源地网络的阻抗突变也形成地弹(即IRdrop)!电源 分布网路(PDN)中轨道塌陷,是指由于电源/地网络中的 路径压降过高,导致器件实际的净电压不足(塌掉了)。
目前SI的研究重心,主要在芯片(见“片上互连的信 号完整性”)和PCB两个着力点。原理相通、技术有别。
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物理互连的电阻、电容、电感寄生参数形成的传输线 效应影响了系统性能。有四类广义SI问题: • SI电路噪声之一——单线网反射(reflection),
SI电路噪声之二——多线网串扰(crosstalk); • 电源完整性——轨道塌陷(rail collapse)及SSN噪声; • 电磁完整性——电磁干扰(EMI); • 数据完整性——数据传输中的抖动
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IBIS是一非线性模型国际标准,是ANSI/EIA标准。 IBIS 于 1993 年 4 月 推 出 Version1.0 版 , 1995 年 12 月 Version2.1 版 成 为 ANSI/EIA-656 标 准 。 1997 年 6 月 Version3.0版,并接纳为IEC 62012-1标准(正广泛采用)。 IBIS Version 4.2 被EIA IBIS Open Forum 于2006年6月 批准,即ANSI/EIA-656-B标准(包括AMS)。 IBIS Version 5.0 于2008年8月被正式颁布。 PCB印制板版图格式的世界新标准为IPC-2581。
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图0-4 实际互连的阻抗不匹配示例,多分支更是如此 15
图0-5 振铃曲线,是由于阻抗不匹配造成的反射所致
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图0-6 PCB 板上单线条接有源端串接电阻40Ω(红色)、无源端串联 匹配电阻(蓝色)负载端不同的电压信号
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狭义信号完整性(SI)之二——串扰(Crosstalk)
指两个不同互连网之间引起的干扰和噪声。 发出串扰的一方称为Aggressor(攻击线网、攻击线、 动态线); 被干扰的线网称为Victim(受害线网、受害线、静态 线)。 通常,每一个线网既是Aggressor,又是Victim。 反射和串扰合在一起,构成经典的狭义信号完整性 问题。
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0.2 高速的含义
现代数字电子系统正在突破1GHz的壁垒,芯片/PCB/ 系统设计正遭遇日益突出的信号完整性问题。
高于100MHz时钟的高频产品,被模糊地称作高速数 字芯片和系统。高频不一定高速;低频也不见得低速。
准确讲,当系统中数字信号的上升边小于1纳秒(ns)时 ,称之为高速运行才比较合适。此时互连不再“透明” ,极有可能对电路和系统造成颠覆性后果。
信号及电源完整性分析与设计[Chapter1]
第一讲
高速系统设计技术及面临的挑战
(开篇)
西安电子科技大学电路CAD研究所 李玉山 2010.9
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0.0 引子-Integrity分析/Interconnect设计
身边的深刻变化,体现了信号完整性(SI)的进展: ● 为什么计算机用RS422/485/USB2.0串口取代了许多并 口 ? 为 什 么 SMT 贴 装 取 代 了 插 装 ? 为 什 么 FPGA 中 增 加 了 LVDS(低压差分信令)模块及匹配设计?为什么PCB板有那么 多电源/地平面? ● 什么信令和接口更适合高速数据传输?是USB3.0还是 IEEE 1394b?选什么RAM?是DDR/DDR2/DDR3(双倍数据 率 同步动态RAM)?选什么连接件(是Tyco或 Amphenol-tcs)? ● 如何提高我国高速电路信号完整性分析与设计水平?
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◆ IBIS模型
在SI分析中,IBIS是一种最流行的对有源器件,包括: 驱动器和接收器建模的技术方案。
IBIS( 输 入 输 出 缓 冲 特 性 , Input/output Buffer Information Specification)模型,是I/O buffer的一种快速准确宏 模型。IBIS模型包括:(1)瞬变(transient)(V/T)特性曲线; (2) DC(V/I)特性曲线;(3)输出输入拓扑及参数。是一种标 准格式,包括:驱动器的上升/下降边、输出阻抗、寄生 参数等;接收器的输入负载参数等。IBIS非常适用于反射 及串扰的计算和仿真。
狭义的信号/数据完整性,指信号电压(电流)波形的质 量,主要包括反射和串扰。物理互连使得信号的波形变退 化 ; 形 成 信 号 幅 度 上 的 噪 声 (SI) 和 时 序 上 的 错 位 / 抖 动 (DI)(其实,幅度噪声也可以折算到时序抖动,见DSI一书2.65式)。
分析信号(含数据)完整性,归根结底落实到改进理互 连设计,使高速信号仍能保持正常工作和传输。
目前,常规的PDN设计以目标阻抗为指标。但有些 缺陷,在研究中我们提出了多输入阻抗概念,详见SIAD 《信号完整性分析与设计》一书第8章。
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图0-8 三种电源噪声和地弹情况
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电磁干扰(EMI)及电磁完整性(EM Integrity)
微观电路(含互连)级的电磁兼容(EMC)称之为电磁完整 性(EMIntegrity),缩写也是EMI。
自主编著的一本书《信号完整性分析与设计》(2010年4
月出版),希望能为同行工程师们加油。
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0.1 电气性能的完整性
英文中人格完整性(personal integrity),指完善、廉正。对 于电气性能,“完整”就是属性的完美。除了狭义信号的 完整性(SI)之外,还有数据完整性(DI) 、电源完整性(PI) 、 电磁完整性(EMI) 、热完整性(TI)等。
信号(SI)和数据完整性(DI),是指信号电压(电流)完美的 波形形状保真度。如果互连设计不当,信号中有严重干扰 和噪声;信号外观失真和退化,即信号完整性被破坏。
信号和数据完整性设计的追求是:电路正常工作;数据 可靠传输。SI/DI是高速互连的核心问题。
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广义信号完整性(SI)泛指由各种信号、数据、电源互 连引起的所有电压、电流不正常现象,包括:噪声、干 扰、时序抖动、数据传输等。
●信号像“列车”,互连像“铁路”。信号不完整, 全是互连惹的祸!是数字设计师碰到的新问题!
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SI在国内既生疏又熟悉。原先对付干扰、噪声的“三 大法宝”是:接地、滤波、屏蔽。显得比较粗糙和感性, 知识亟待更新深化。现在,国内对SI量化和细化的研究, 呈现出浓厚的热情和较好的普及。
设计师需理解高速设计SI机理,掌握SI分析仿真技术。 近五年我们陆续翻译出版四本原著:《信号完整性分 析》、《数字信号完整性》、《抖动、噪声与信号完整 性》、《芯片及系统的电源完整性》。
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图0-9 PCB的EMI情况
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有损传输线以及数据完整性(DI)
有损传输线引起数据上升边退化,从而引起符号间干 扰,即ISI,进而形成重要的抖动问题,造成所谓的数据 不完整,数据不能正确传输,加大误码率(BER)。
当频率≥1wenku.baidu.comHz时,介质损耗增长与频率成正比,而导 线损耗与频率平方根成正比(注意此处的自变量为频率)。 这是广义的色散效应。FR4的损耗引起波形退化示例如图 0-10:当数据经36inch传输,上升边增加到1ns。
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电路图给出元器件及其互连关系。而同一个线网,电属 性 相 同 , 其 互 连 拓 扑 关 系 可 能 如 下 : 点 到 点 ; 星 簇 (star cluster)是每个器件通过长度相等的传输线连接到中心节点 上;菊花链(daisy chain) 是一条长传输线从每个器件附近经 过,器件通过短桩线连在主传输线上。
仿真质量取决于元件模型、器件模型(IBIS)、互连模型 的质量。要熟悉互连的集总参数及分布传输线模型。
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◆ SI的四种分析描述表征手段和途径
加上测量技术,共计四种分析及描述表征手段: • 经验法则; • 解析近似;
• 数值仿真 (有场和路两种途径);
• 实际测量。
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◆ SI/PI仿真用软件
• SPICE(侧重IC的仿真程序) • Mentor:Hyperlynx • Candence:SigXP(SigXplorer ) • Ansoft:HFSS(高频结构仿真) 、Siwave、Q3D、SI2D • Agilent:ADS • Sigrity:Speed2000 • CST(3D电磁仿真) • Empire(3D电磁仿真)
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图0-3 四种信号完整性问题图解
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狭义信号完整性(SI)之一——反射(reflection)
指传输线上存在回波(echo)。驱动器输出信号(电压/电流) 的一部分经传输线到达负载端的接收器;由于不匹配一部分 被反射回源端驱动器,在传输线上形成振铃(ringing)驻波。
过冲(overshoot)是指第一个峰值或谷值超过设定电压;下 冲(undershoot)是指紧邻的下一个谷值或峰值超过设定电压 ;振铃(ringing)就是反复出现的过冲和下冲。
EMI牵涉三个环节:干扰源头、敏感接收端、双向传播 路径(末端的天线效应不计入)。EMI重在源头/收端及路径分 析。包括抑制反射、抑制串扰、抑制共模电流、改进互连 设计。电缆、导线或封装管脚都有不同程度的天线特性, PCB、IC的走线和电缆都能发射。
FCC给定某频率最大发射(对应我国是GB1726/GB4343/ 9254; 国军标GJB151/152A-97电磁辐射和敏感度标准)。
• 点到点
• 近、远端簇
• 菊花链
• 周期性加载
图0-2 单个线网的各种互连拓扑情况
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0.4 广义信号完整性
信号完整性讨论的主要对象是数字信号,人们讨论的 只有数字信号完整性,一般不说模拟信号的完整性。这 是由于数字信号的非理想退化而呈现的一种模拟效应。 主要内因是非常短的数字信号前后沿(简称前沿,上升边 )包含丰富的高频成分。因此数字信号被称为宽带信号!
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图0-10 由于有损线造成的上升边退化(总时延=纯时延+纯退化)
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0.5 SI的分析描述技术
分析和表征信号完整性,分为时域和频域两种途径 和手段。
时域(time domain)是根本!用示波器观察信号波形失 真和眼图。找出pin-to-pin的时延、错位、抖动、噪声、 过冲/下冲及建立/保持时间等。选用的仪器有TDR。
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经验法则直观快捷,如“单位长度自感1nH/mm”。
解析近似:忽略次要因素实现简捷有效的近似表征。
数值仿真:精准预测特性阻抗、串扰、任意截面传输 线的差分/共模阻抗等;准确仿真任意端接对SI的影响。
侧重点是提高直觉和创新能力,倡导基于数值仿真工 具/测量的SI设计与研究。
IBIS 驱
IBIS 收
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● 完整性(Integrity) :信号波形、电源质量、数据时序、 电磁场秩序的完好程度,统称为广义信号完整性。
● 互连(Interconnect):芯片内、外连接;PCB内、外连 接;系统连接等。含信号线网、时钟网络与电源网络。
● 高速时不当互连设计将破坏这些完整性性能。无源 互连元件正取代有源器件成为高速系统设计的主角!
频域(frequency domain),用频谱分析仪观察分析信号 波形,通常用于信号噪声的带宽分析、噪声抑制度量 及EMI量级分析。仪器有VNA和阻抗分析仪(IA)。
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研究SI有两种主要技术工具:分析型和描述表征型。 分析型是指计算仿真工具;表征型是指测量工具。
国内实际工作中发现二者确实不一致,需要校正。 分析工具强调推理推导,又进一步分为三类:经验 法则、解析近似和数值仿真。 其准确度和难度各不相同。每一个都很有用,适用 于不同场合。仿真又分为电路仿真和场仿真两类。三类 分析工具分别介绍如下:
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