高速電路的信號(hào)完整性分析

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和深壓微米工藝的不斷發(fā)展，IC的開關(guān)速度目前已經(jīng)從幾十MHz增加到幾百M(fèi)Hz，甚至達(dá)到幾GHz。在高速設(shè)計(jì)中，工程師經(jīng)常會(huì)碰到誤觸發(fā)、阻尼振蕩、過(guò)沖、欠沖、串?dāng)_等信號(hào)完整性問(wèn)題。本文將探討它們的形成原因、計(jì)算方法以及如何采用IBIS仿真方法解決這些問(wèn)題。

1 信號(hào)完整性定義

信號(hào)完整性（Signal Integrity，簡(jiǎn)稱SI）指的是信號(hào)線上的信號(hào)質(zhì)量。信號(hào)完整性差不是由單一因素造成的，而是由板級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同引起的。破壞信號(hào)完整性的原因包括反射、振鈴、地彈、串?dāng)_等。隨著信號(hào)工作頻率的不斷提高，信號(hào)完整性問(wèn)題已經(jīng)成為高速工程師關(guān)注的焦點(diǎn)。

2 反射

2．1 反射的形成和計(jì)算

傳輸線上的阻抗不連續(xù)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射，當(dāng)源端與負(fù)載端阻抗不匹配時(shí)，負(fù)載將一部分電壓反射回源端。如果負(fù)載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負(fù)；如果負(fù)載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。反射回來(lái)的信號(hào)還會(huì)在源端再次形成反射，從而形成振蕩?，F(xiàn)以圖1所示的理想傳輸線模型為例，分析與信號(hào)反射有關(guān)的重要參數(shù)。

圖1，理想傳輸線L被內(nèi)阻為R0的數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)源Vs驅(qū)動(dòng)，傳輸線的特性阻抗為Z0，負(fù)載阻抗為RL。如果終端阻抗（B點(diǎn)）跟傳輸線阻抗（A點(diǎn)）不匹配，就會(huì)形成反射，反射回來(lái)的電壓幅值由負(fù)載反射系數(shù)ρL決定。Ρt可由式（1）得出：

ρL=（RL-Z0）/（RL+Z0） （1）

從終端反射回的電壓到達(dá)源端時(shí)，可再次反射回負(fù)載端，形成二次反射，此時(shí)反射電壓的幅值由源反射系數(shù)ρs決定，ρs可由式（2）得出：

ρs=(R0-Z0)/(R0+Z0) (2)

精確計(jì)算反射系數(shù)和反射電壓的關(guān)鍵是確定傳輸線的特征阻抗，它不僅僅是印制線的電阻。當(dāng)印制線上傳輸?shù)男盘?hào)速度超過(guò)100MHz時(shí)，必須將印制線看成是帶有寄生電容和電感的傳輸線，而且在高頻下會(huì)有超膚效誚和電介質(zhì)損耗，這些都會(huì)影響傳輸線的特征阻抗。按照傳輸線的結(jié)構(gòu)，可以將它分為微帶線和帶狀線。

2．1．1 表情微帶線的特性阻抗

微帶線是位于接地層上由電介質(zhì)隔開的印制導(dǎo)線，其模型如圖2所示。印制導(dǎo)線的厚度、寬度、印制導(dǎo)線與地層的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)決定了微帶線的特性阻抗。計(jì)算公式如下：

式中，Z0是微帶線的特性阻抗（Ω），w是印制導(dǎo)線寬度（英寸），t是印制導(dǎo)線厚度（英寸）,h是電介質(zhì)厚度（英寸），εr是印制電路板電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

2．1．2 層間帶狀線的特性阻抗

帶狀線是介于兩個(gè)接地層之間的印制導(dǎo)線，其模型如圖3所示。它的特性阻抗和印制導(dǎo)線的寬度、厚度、電介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩個(gè)接層的距離有關(guān)。特性阻抗的計(jì)算公式如下：

式中，Z0是微帶線的特性阻抗（Ω），w是印制導(dǎo)線寬度（英寸），t是印制導(dǎo)線存度（英寸），h是電介度厚度（英寸），εr是印制電路板電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

2．1．3 非對(duì)稱帶狀線的特性阻抗

非對(duì)稱帶狀線模型如圖4所示。

特性阻抗的計(jì)算公式如下：

式中，Z0是微帶線的特性阻抗（Ω），w是印制導(dǎo)線寬度（英寸），t是印制導(dǎo)線存度（英寸），h是電介質(zhì)厚度（英寸），c是印制導(dǎo)線之間的距離，εr是印制電路板電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

2．2 反射引起的問(wèn)題及解決方法

由于存在傳輸線效應(yīng)，從反射的角度來(lái)看，會(huì)出現(xiàn)以下信號(hào)完整性問(wèn)題：

（1） 信號(hào)反射形成信號(hào)振蕩。反射回來(lái)的信號(hào)會(huì)在源端和終端之間形成多次反射，加上傳輸線效應(yīng)引起的過(guò)大的電感和電容，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)振蕩，即在一個(gè)邏輯電平附近上下震蕩。這種現(xiàn)象尤其會(huì)出現(xiàn)在周期性的時(shí)鐘信號(hào)上，從而導(dǎo)致系統(tǒng)失敗。

（2） 信號(hào)反射會(huì)形成信號(hào)過(guò)沖和下沖。雖然一般來(lái)說(shuō)每個(gè)信號(hào)的輸入端都具有保護(hù)作用的齊納二極管，但過(guò)程電平有效會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)元件電源電壓范圍，損壞元器件。

（3） 多次跨越邏輯電平門限。信號(hào)在跳變的過(guò)程中可能多次跨越邏輯電平門限，它是信號(hào)振蕩的一種特殊的形式，即信號(hào)的振蕩發(fā)生在邏輯電平門限附近，多次跨越邏輯電平門限會(huì)導(dǎo)致邏輯功能紊亂。

解決反射的根本辦法是使信號(hào)具有良好的終端匹配，控制傳輸線的長(zhǎng)度。同時(shí)也可利用IBIS仿真對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化。

3 串?dāng)_

3．1 串?dāng)_的形成和計(jì)算

在高速信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，反射屬于單信號(hào)線現(xiàn)象，當(dāng)然包括地平面問(wèn)題。但串?dāng)_不同，它是兩條信號(hào)線之間以及地平面之間的耦合，所以又稱為三線系統(tǒng)。形成串?dāng)_的根本原因是信號(hào)變化引起周邊的電磁場(chǎng)發(fā)生變化，特別是對(duì)于高速信號(hào)，信號(hào)的上升和下降沿的時(shí)間可以達(dá)到ps級(jí)，高頻分量非常豐富，信號(hào)線之間的寄生電容和電感容易成為串?dāng)_信號(hào)的耦合通道。下面以圖5所示的傳輸線耦合模型為例進(jìn)行分析。傳輸線上分布著電感分量和電容分量，所以整個(gè)信號(hào)之間的串?dāng)_由兩部分組成，即容性耦合干擾和感性耦合干擾。容性耦合干擾是由于干擾源（Aggressor）上的電壓變化在被干擾對(duì)象（Victim）上引起感應(yīng)電流從而導(dǎo)致的電磁干擾，而感性耦合干擾則是由于干擾源上的電流變化產(chǎn)生的磁場(chǎng)在被干擾對(duì)象上引起感應(yīng)電壓從而導(dǎo)致的電磁干擾。感性串?dāng)_和容性串?dāng)_的基本分析公式如下：

Xtalk(ind)=(Lm)/(Ra×Tr) (6)

式中，Lm是互感，Ra是干擾源的終端匹配電阻，Tr是信號(hào)上升沿的時(shí)間。

Xtalk(cap)=(Ra×Cm)/Tr (7)

式中，Cm是耦合電容，Ra是被干擾對(duì)象的終端匹配電阻，Tr是信號(hào)上升沿的時(shí)間。


3．2 影響因素

從上面的公式可以看出，串?dāng)_的大小與很多因素有關(guān)，如信號(hào)的速率、信號(hào)的上升沿和下降沿的速率、板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性及線端接方式等。

3．2．1 串?dāng)_線平行長(zhǎng)度和間距對(duì)串?dāng)_的影響

印制電路板基材與兩面的印制導(dǎo)線可看作一個(gè)電容器，其電容C可用平板電容器的計(jì)算公式來(lái)粗略地計(jì)算。

C=0.886εr(A/b)(pF) (8)

式中，A是兩面導(dǎo)線重疊的面積（mm2），b是層壓板電介質(zhì)厚度（mm），εr是壓板的相對(duì)介電常數(shù)。

當(dāng)串?dāng)_信號(hào)線之間的平行長(zhǎng)度增加時(shí)，將增加兩傳輸線之間重疊的面積，所以線之間的耦合電容也會(huì)增加，從而增大電流串?dāng)_。同理，當(dāng)傳輸線之間的間距減少時(shí)，兩個(gè)耦合的傳輸線之間的耦合電容也會(huì)增加，從而增加串?dāng)_的數(shù)值。在高速電路設(shè)計(jì)中，重要的是減少串?dāng)_的數(shù)值，這樣就要從結(jié)構(gòu)上減小平行的長(zhǎng)度，而且線間的間距也不能太小。

3．2．2 信號(hào)頻率和沿速率對(duì)串?dāng)_的影響

在串?dāng)_效應(yīng)中，除了信號(hào)本身的傳輸頻率外，影響很大的還有信號(hào)上升時(shí)間和下降時(shí)間。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)幾百兆赫茲的時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，這樣信號(hào)的上升沿可以達(dá)到ps級(jí)。在這種情況下，信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間對(duì)串?dāng)_的影響是不可忽視的。

假設(shè)存在一個(gè)如圖6所示的串?dāng)_模型。其中，兩線的線寬均為w，兩線的線間距為P，而兩線的平行長(zhǎng)度為L(zhǎng)，如不特殊說(shuō)明，w、P和L的取值分別為w=5mils，P=5mils，L=1.3inches，兩線均為頂層微帶傳輸線。板的電介質(zhì)電常數(shù)εr為4.5。分別在不同的頻率和沿速率情況下對(duì)它進(jìn)行仿真。干擾源信號(hào)的頻率不同時(shí)。

在同樣干擾信號(hào)頻率（f=20MHz）下，不同干擾源沿速率所產(chǎn)生的信號(hào)串?dāng)_情況如圖7所示。圖中標(biāo)記“1”和標(biāo)記“2”箭頭分別指被干擾對(duì)象的遠(yuǎn)端和近端串?dāng)_波形。

3．3 解決方法

從上面的分析來(lái)看，在高速電路設(shè)計(jì)中，除了信號(hào)頻率對(duì)串?dāng)_有較大影響外，信號(hào)的邊沿變化（上升沿和下降沿）對(duì)串?dāng)_的影響更大，邊沿變化越快，串?dāng)_越大。所以解決串?dāng)_的方法主要從減少干擾源強(qiáng)度和切斷干擾路徑兩個(gè)方面進(jìn)行，有以下幾個(gè)方法：

（1） 串?dāng)_與信號(hào)頻率成正比，而且在數(shù)字電路中，信號(hào)的邊沿變化（上升沿和下降沿）對(duì)串?dāng)_的影響最大，邊沿變化越快變頻分量越豐富，串?dāng)_越大，所以盡量少地使用dV/dt高的信號(hào)，在超高速設(shè)計(jì)中可以使用低電壓差分信號(hào)或其它差分信號(hào)。

（2） 在布線空間允許的條件下，在串?dāng)_較嚴(yán)重的兩條線之間插入一條地線或地平面， 可以起到了隔離的作用，從而減小串?dāng)_。

（3） 加大線間距，減小線的平行長(zhǎng)度，必須時(shí)可以以jog(凹凸)方式走線。

（4） 對(duì)于信號(hào)速率比較高的信號(hào)，可以將它走線經(jīng)過(guò)的微帶線和帶狀線控制在地平面8mil距離內(nèi)，這樣可以顯著減少串?dāng)_。

（5） 控制傳輸線阻抗，加入端接匹配電阻以減小或消除反射，從而減小串?dāng)_。

4 IBIS仿真

由于在高速電路設(shè)計(jì)中存在許多的信號(hào)完整性問(wèn)題，為了確保產(chǎn)品的性能和縮短開發(fā)周期，迫切需要進(jìn)行電路的板線仿真。仿真的手段主要有SPICE仿真和I/O Buffer Information Specification(簡(jiǎn)稱IBIS)仿真等。IBIS模型只涉及器件I/O buffer的電氣特性，不包含器件內(nèi)核的結(jié)構(gòu)、工藝和性能等信息，從而有效保護(hù)了IC開發(fā)商的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，因此與SPICE模型相比，IBIS模型比較容易從器件生產(chǎn)廠家獲得；同時(shí)IBIS仿真具有很高的精度，而且其仿真速度比SPICE仿真速速快25倍左右。本文只介紹IBIS仿真。

4．1 IBIS模型的組成要素

按器件引腳輸入、輸出性質(zhì)的不同，IBIS模型中所包含的要素也不同。主要有兩種，即輸出引腳和輸入引腳模型，圖8描述的是輸出引腳的模型。模塊1表示自器件Pad到Pin的寄生參數(shù)，其中C_comp表示由輸出Pad、鉗位二極管引起的輸出電容，L_pkg、R_pkg以及C_pkg表示由綁定引線和Pin引起的電感、電阻和電容。模塊2表示器件內(nèi)部的ESD保護(hù)二極管或鉗位二極管，模塊3表示開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)態(tài)特性，在模型文件中用dV/dt表示，決定信號(hào)的沿速率。模塊4和模塊5分別表示下拉開關(guān)管和上拉開關(guān)管，用模型文件中的V/I曲線表示。圖9描述的是輸入引腳的IBIS模型，它只包含模塊1和模塊2。

4．2 IBIS模型仿真步驟

由于IBIS仿真模型不但含有每個(gè)引腳的寄生參數(shù)，如封裝寄生電感、電容和電阻，而且有表示信號(hào)沿速率的dV/dt和端口特征的V/I曲線，所以IBIS仿真具有精度高、仿真速度快的特點(diǎn)，被現(xiàn)在的EDA軟件廣泛采用，如Cadence和Mentor等。下面介紹Cadence軟件的仿真步驟：

（1） 從半導(dǎo)體廠家獲取IBIS模型。

（2） 進(jìn)行IBIS模型的校正，這一步非常重要，因?yàn)橛袝r(shí)候廠家提供的IBIS模型有錯(cuò)誤。

（3） 在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，將相應(yīng)的IBIS模型賦予每個(gè)器件，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4） 提取需要仿真的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（5） 在源端加上仿真激勵(lì)，然后進(jìn)行仿真。如果存在信號(hào)完整性問(wèn)題，可以修改張端匹配或設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行仿真，直到滿足信號(hào)完整性要求。

信號(hào)完整性設(shè)計(jì)已經(jīng)成為高速設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)，需要從原理圖設(shè)計(jì)開始進(jìn)行考慮，并采用IBIS仿真加速設(shè)計(jì)的進(jìn)度和保證設(shè)計(jì)的成功。當(dāng)然由于IBIS模型不涉及到IC內(nèi)部的晶體管結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)外面的被動(dòng)器件和結(jié)構(gòu)（如過(guò)孔）描述不夠精確，所以對(duì)于超高速（信號(hào)傳輸速率超過(guò)1Gb/s）的設(shè)計(jì)，可以采用SPICE仿真，同時(shí)采用三維電磁場(chǎng)提取過(guò)孔的SPICE模型。限于篇幅，本文沒(méi)有討論這些問(wèn)題，可參考相關(guān)文獻(xiàn)。