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基于信号完整性理论的PCB仿真设计与分析研究

编辑:PCB    来源:未知    发布时间:2019-03-22 21:52    浏览量:
目前,国内外相关信号完整性(信号完整性,SI)工程与研究尚不成熟,其分析方法和实践尚未完善,并且仍处于不断探索的阶段。在基于信号完整性计算机分析的PCB设计方法中,最核心的部分是建立PCB板级信号完整性模型,这是与传统设计方法的主要区别。
 
 
SI模型的准确性将决定设计的正确性,而SI模型的可用性决定了该设计方法的可行性。高速数字电路设计中的问题突出如下:(1)工作频率的提高和信号上升/下降时间的缩短将减少设计系统的时序裕度甚至问题时间; (2)传输线效应引起的信号振荡,过冲和冲击将是设计系统的容错,
 
 
噪声容忍和单调性构成了巨大的威胁; (3)信号在此时间内降至1ns后,信号之间的串扰成为一个非常重要的问题,(4)当信号为信号时,电源系统的稳定性和电磁干扰(EMI)问题变得非常突出。当时接近0.5ns。在高速系统中,能否处理系统的信号互连,解决信号完整性问题是系统设计成功的关键。
 
同时,信号完整性也是解决电源完整性,电磁兼容性和电磁干扰(EMC / EMI)问题的基础和前提。
 
传输线理论的高频效应和高频效应在高频情况下的皮肤效应,电磁波进入导体会急剧衰减,即使在低导体波长的距离内,电磁波也已经明显衰减,所以高频电磁场只能存在于导体表面的薄层中,这种现象称为皮肤收获效应。电磁波场幅度衰减到表面的1 / e的深度是趋肤深度类型(1):电导率越大,电导率越好,工作频率越高,趋肤深度越小,导致高频电阻远大于低频或直流电阻。在几个载体导体之间的相互电磁干扰中,每个载体导体的横截面的电流分布不同于隔离的载体导体的横截面的电流分布。当存在两个相反方向电流的相邻导体时,最近点的电流密度在彼此靠近的两侧最大,并且当两个电流的当前方向时,两个外侧的电流密度最小。 - 载波导体是相同的。
 
通常,邻近效应使得等效电阻增加并且电感减小。
 
传输线理论广义传输线是引导电磁波沿某一方向传输的导体,介质或导航系统。一般讨论的传输线是指微波传输线,其理论是长期理论。当可以将传输线的几何尺寸与电磁波的波长进行比较时,必须考虑传输线的分布参数(或寄生参数)。
 
 
 
在高速数字或射频电路的设计和高速电路的仿真设计中,许多电磁现象必须用传输线理论来说明,传输线理论是研究高速数字(或射频)电路的基础。基本传输线理论当传输信号速率或频率达到一定时间时,必须考虑传输信号在信道上的分布参数。以并联双导体为例,对它们的集肤效应导致每单位长度的RF阻抗增加。当它到达RF部分时,平行双线周围的磁场非常强,必须考虑寄生电感,并联双线之间的电场应该等于电容。同时,电线之间的电流也要考虑电线之间的漏电现象。
 
 
 
 因此,单位长度传输线的等效电路可以由R,L,G,C4组成,如图1所示。图1单位长度传输线的等效电路由通过传输线方程表示可以得到Hoff定律,可以写出传输线方程的解:V +,V-,I +,I-分别是电压波和电流波幅度常数,+, - ,表示入射波(+ Z)和反射波(-Z)的传输方向。传播常数C定义为公式:A是A衰减常数; B是A相常数。传输线上某点的电压和电流分别是入射波和反射器的叠加。
 
Z轴上的点处的电压和电流表达表示在传输线上传输的电压波和电流波是时间和传输距离的函数。
 
集成传输线理论集成传输线包括微带线,带状线,耦合线和各种共面波导。微带线是目前混合微波集成电路和单片微波集成电路中最常用的平面传输线之一。它可以用于光刻,并且易于与其他无源微波电路和有源微波器件集成,以实现微波元件和系统的集成。
 
 
微带线的信号线位于外层,而层位于线的另一侧,易于测试。带状线,也称为三板线,由两个矩形横截面导体带组成,在地板之间填充均匀的介质或空气。带状线的信号电缆夹在两个电源层之间,理论上它最好能够传输信号,因为它在两侧都有电源层屏蔽。
但它内部隐藏了信号线,不利于测试。信号完整性理论信号完整性(SI)主要研究沿线信号传输的质量和时间。通常,需要解决的信号完整性问题包括:(1)由于阻抗不匹配引起的反射; (2)由相邻信号耦合产生的串扰; (3)超调和下降; (4)振铃,表现为信号重复振荡,可以通过适当的终止来抑制; (5)地平面回弹噪声和开关噪声,对于高速器件,大量数据总线信号快速翻转,通过接地回路的电流变化导致非理想的接地平面,(6)功率分配,高速电路,控制电源/接地平面阻抗是系统设计的关键,(7)定时问题,对于高速设计,信号传播延迟,
 
时钟偏移和抖动等因素足以阻止系统正确判断数据,并且(8)EMI问题,包括电磁辐射和抗干扰问题,解决PCB设计中的EMI问题是最重要的环节。系统EMI控制,成本最低。仿真模型和建模方法spice仿真模型和建模方法Spice仿真模型SPICE(集成电路强调仿真程序)是一个可以分析和模拟的通用电路分析程序
 
 
一般条件下的各种电路特性。 SPICE程序可以取代整个电子实验室的功能,例如面包板和示波器。 SPICE程序拥有大量的器件库,包括:(1)无源器件模型,如电阻器,电容器,电感器,传输线等; (2)半导体器件模型,如二极管,晶体管,结FET,MOS场效应管等; (3)各种电源,包括线性和非线性受控源,如独立电压源
 
 
,电流源,受控电压源,电流源等。(4)A / D,D / A转换接口电路和数字电路器件库。 SPICE模型的建模方法通常使用两种设备,一种是分立元件,另一种是芯片。
 
 
根据器件类型采用两种电路建模方法。 1)基本设备型号。例如:电阻器,电容器,电感器,普通晶体管等,这些是构成电路的最基本单元。物理方法通常用于通过使用描述设备的物理属性作为起点的等式来对设备进行建模。
 
 
不同工作频率下同一设备的型号不同。 2)芯片子电路器件模型。芯片通常由一些基本元件组成,基本单元元件和它们之间的连接关系以网络表的形式变成子电路,用于其他电路调用,构成芯片子电路模型。
  
黑盒子(Blackbox)方法通常用于建模,即将设备作为黑盒子,重点关注端口的工作特性,用它来形成模型。 IBIS仿真模型和模型结构IBIS仿真模型IBIS(input / outputbuffer info)输入/输出缓冲区信息规范,是标准模型信息的一个组成部分。 IBIS模型是一种基于V / I曲线快速准确地构建I / O缓冲区的快速而准确的方法。它是反映芯片驱动和接收的电气特性的国际标准。它提供标准文件格式来记录驱动器输出阻抗,上升/下降时间和输出负载等参数,使其成为振铃的理想选择(
 
 
振铃)和串扰(串扰)等高频效应的计算和模拟。 IBIS模型结构IBIS模型是用于描述I / O缓冲信息特征的模型,输出输入端口的行为描述可以分解为一系列简单的功能模块,这些简单的功能模块可以从中建立一个完整的IBIS模型,即缓冲单元中的基本元素,
 
这包括封装的寄生参数(输入,输出或使能端),晶圆本身的寄生电容,电源或接地保护电路,阈值和使能逻辑,上拉和下降 - 电路,等等。
 
PCB板仿真相关参数的PCB仿真实例及其结果分析设置印刷电路板仿真有两种:线路仿真和板级仿真。线路仿真可以根据信号完整性和时序要求的设计,在布线前帮助设计人员调整元件布局,规划系统时钟网络,确定关键线路网络终端策略,在布线过程跟踪设计中,在任何时候反馈布线效果。板级仿真通常在PCB des基本完成后进行可以考虑诸如电气,EMC,热性能和这些因素的机械性能对SI的影响以及这些因素之间的相互作用,从而进行真正的系统级分析和验证。 在仿真中,首先要加载组件的仿真模型,然后进行预仿真,确定布线过程中所需的参数和一些约束条件,然后在实际布线过程中随时通过线仿真 检查布线的效果,最后在布线板级仿真基本完成后检查系统性能[6]本文的一个例子是小型封装热插拔光纤收发器模块的反射仿真分析 用于SFP(小型可插拔光收发器)。在完成SFP光收发模块的原理图设计后,建立了结果分析的仿真实例和仿真模型,开始设计PCB板。由于SFP光收发模块的工作频率设置为1.25Gbit / s,数据速率非常高,差分线的长度很长,因此必须使用微带传输线进行阻抗匹配以减少源和终端的反射,从而确保信号的质量。根据原理图中MAX3748的芯片数据,差分线的单端输出阻抗为50Ω,根据SFP-MSA协议,主板上接口部分的差分阻抗,即RD + / -port,是100欧米茄。根据差分线理论,两条平行微带线传输线的差分阻抗等于没有耦合的单端阻抗的两倍,因此必须使用特性阻抗为50Ω的传输线进行匹配。用于提取MAX3748和连接器J1之间的互连网络的拓扑结构如图2所示。由于J1是连接器,因此没有相应的IBIS模型数据可以被调用,因此为了进行模拟,系统附带一个J1的差动接收器DIN1。
 
 
 
并设置适当的工作频率。通过仿真结果对MAX3748与J1之间的互连进行拓扑仿真结果和分析,信号质量达不到设计要求,主要存在以下问题:(1)上升沿和下降沿存在非线性; (2)波形有一定的过冲和下降; (3)边缘速率减慢。鉴于上述问题,通过对电路的进一步分析,发现这些现象是由两个因素引起的。 1)因为SFP光收发模块主要使用差分线进行信号传输,根据SFP-MSA协议,主板上的差分阻抗为100欧姆。此外,MAX3748差分输出端的阻抗为100Ω,在之前的仿真中,当系统提取拓扑时,默认阻抗为60Ω微带线,导致阻抗不匹配。
 
 
 
2)因为系统的差分输入端装在J1后面,当它处于高阻态时,相当于端子开路,有很大的反射。因此,为了确保信号质量,必须进行阻抗匹配。差分传输线的阻抗设置为100Ω,根据差分微带线理论,传输线计算App可用于计算线宽为15mil,线间距为10mil,以及相应的单端阻抗约为62.5欧米茄。由于差分线之间存在一定的耦合,因此先前模拟的拓扑中的非破坏性微带线被实际的有损和耦合微带线代替,以进行仿真分析。
同时,拓扑中增加了一个50Ω的终端电阻,用于连接3.3V电源。
 
 
 
修改后的拓扑结构如图3所示。修改后的拓扑结构表明信号具有良好的信号完整性,可用于仿真波形和眼图分析。信号的过冲幅度约为54mV,上升沿和下降沿约为100ps,差分输出信号的摆幅达到约850mV,满足信号输出的要求。

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