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信号完整性和电源完整性的仿真分析和设计

编辑:PCB    来源:未知    发布时间:2019-03-25 19:43    浏览量:
信号完整性是指信号在经过一定距离传输路径后相对于特定接收端口的指定发送端口信号的恢复程度。在讨论信号完整性设计的性能时,如果指定不同的收发器参考端口,则应使用不同的指示器来描述信号减少的程度。通常,指定的收发器参考端口是发送芯片输出端和接收芯片输入端的波形可测量点,此时主要使用上升/下降和保持时间等指标来描述其程度。信号减少。当指定的参考端口是信道编码器的输入端和解码器的输出端时,误差率用于描述信号减少的程度。电源完整性是指系统电源在某个传输网络之后根据指定的设备端口相对于设备的工作电源要求的程度。同样,对于同一系统中的同一设备,如果指定端口不同,则正常操作的功率要求也不同。
 
 
通常,指定的器件参考端口是芯片电源和接地连接引脚上的可测量点,此时芯片的手册应在该端口给出相应的指示器,通常用于纹波大小或电压最大偏差范围。典型背板信号传输的系统框图如图1所示。本文中,术语系统包含信号传输所需的所有相关硬件和App,包括芯片,封装和PCB板的物理结构,电源和电源传输网络,信号通信所需的所有相关电路实现和协议。在设计时,硬件需要提供可配置的支撑和电信号有源/无源互连结构,需要App提供信号传输协议和数据内容。但是,由于这些支撑和互连结构将显示电信号传输的某种频率选择性衰减,因此它将对信号和电源的完整性产生影响。
 
 
 
 
同时,在相同的传输环境中,不同的传输协议和不同的数据内容表达具有不同的适应性,因此,有必要根据实际传输环境进一步选择或优化可行的传输协议和数据内容表达。图1背板信号传输布局完整性问题的系统框图,分析和设计背板系统中的硬件支撑和无源互连结构基本上是在级联平板结构上实现的。该叠层平板结构可由3种类型的元件组成:正结构,负膜结构和通孔。正结构有时被称为信号层,层上的布线大多是信号线或分立电源线的逻辑连接,在平板光刻中所有的线都会以相同的图形方式出现;负结构有时被称为平面层(细分为电源平面层和地平面层),层上基本相同逻辑的一个或几个连接(通常是电源连接或接地连接)实现于大面积的铜,由光刻工艺中的相反图表示,并且孔通过这些铜用于不同层之间的物理连接。在当前的制造工艺中,芯片,封装和PCB板主要在类似的结构上实现。布局完整性设计的目标是为系统提供足够好的信号路径和电力传输网络。
 
 
电流密度分布对于布局完整性的设计和分析具有重要意义,因为电流密度可以直观地显示寄生耦合位置和信号强度,从而有助于布局调试器有针对性地采用耦合或解耦方案。 。对于信号完整性,首要任务是确保信号路径在某种负载情况下呈现出良好的匹配,同时避免寄生耦合变化已经设计成匹配的情况。电磁场仿真不仅可以精确计算实际布局结构中信号路径的匹配条件,还可以计算信号路径周围结构引起的寄生耦合(如果信号线被包围,通常称为串扰),并且其强度可以直接表示为围绕周围线或平面的电感产生的电流密度。这有助于优化布局结构。除了改变线路距离外,改变周围的其他电磁电路环境也会导致信号传输和串扰状态的变化。
 
 
例如,在层之间使用屏蔽可以改善最初放置在顶层的布线信号的传输或串扰性能。对于电源完整性,增加电源和地之间的电容耦合可以滤除电源中的AC波动。在实际应用中,经常采用增加去耦电容的方法。电流密度的动态显示可以帮助设计人员直观地了解电网中振荡的原因。
 
 
这有助于设计人员确定去耦电容的最佳位置。图2模拟了一个简单的电力传输网络,其中电源平面和地平面是规则的矩形,这有助于定性验证电磁场仿真结果。工作装置和电源分别连接到矩形的两个对角线。假设工作装置对供电网络的阻抗为20。
 
 
 
 
  电磁场模拟可用于观察来自端口1的电流流入,通过电力传输网络,然后从端口2丢失状态流出。图2简单的电力传输网络模拟在电源连接处使用穿孔来缩短电源平面和接地层,以模拟电源的连接(假设电源的内部电阻非常小,可以忽略) 。仿真结果表明,输电网络在1GHz频段有3个主要谐振区,分别在200MHz,500MHz和1GHz附近。谐振区域的存在会对电源完整性产生一定影响:如果工作设备(在典型CMOS器件的情况下)工作在谐振频率点,则会产生相同频率点的电源电流要求,但由于谐振的存在,从电源端到设备的电源输入会产生明显的压降,结果,工作装置上的实际工作电压没有达到预期值,导致性能下降设备,甚至不能正常工作。解决上述问题的常用方法是增加去耦电容,使电网的谐振区域远离器件的工作频率。通过电流密度分布的显示可以理解振荡的原因,从而采用有针对性的方法。
 
对于上述电源网络,可以增加一个过孔模拟去耦电容,通过改变孔的位置来观察谐振模和谐振点的变化,从而找到放置去耦电容的最佳位置。从TTL,GTL到HSTL,SSTL和LVDS的电路完整性设计和分析,目前芯片接口物理标准的演变反映了集成电路技术的不断进步,也体现了高速信号传输要求的不断提高。从布局完整性的分析过程可以看出,只有结合互连结构两端负载特性的仿真结果才具有实际意义,负载特性由连接的电路特性决定,因此在完整性设计中理解这些接口标准是非常必要的。随着传输速率的提高,翻转速率控制电路和驱动负载控制电路得到广泛应用,为完整性设计人员提供了更多的优化空间。在具体的完整性分析中,电路设计gners需要考虑如何实际实现这些控制,因为它们会影响电路的负载特性以及波形性能。
 
 
另外,有必要考虑在芯片上实现去耦电容。图3所示的电路仿真图包括芯片,封装和PCB板信号线路互连和电源互连的等效模型。驱动电路和接收电路使用IBIS模型(也可以用SPICE模型代替)。使用该仿真电路,大家可以观察虚拟系统工作时任何点的信号波形或功率波动情况。信号完整性通常与时钟信号的抖动和信号波形的上升/下降/保持时间有关。
 
 
在对电路进行瞬态仿真后,可以使用ADS2005A中包含的眼图工具自动计算每个抖动分量的值。电源完整性通常与工作设备所承受的实际电源电压波动有关,即图3中的Vchip。在实际分析中,系统集成设计验证器无法检测到芯片内部的电源端口,因此可以没有观察到芯片端口电源波动和地面弹性噪声,只能发现封装外部排水脚测得的电源和接地是相当稳定的。但是,应该在芯片端口上定义最终决定设备正常运行的电源,此时封装端口的测量结果不反映电源完整性状态。因此,芯片制造商必须提供封装模型来模拟芯片端口处的电源波动和接地弹性噪声对于上面的例子,进一步考虑芯片内部,封装内部和PCB板上的去耦电容
 
 
 
 
  采用分别扫描去耦电容值的仿真方法,观察了去耦电容对电源完整性的影响。图4仿真去耦电容效用的简化示意图仿真结果表明,PCB板和封装中的去耦电容没有明显的影响,是增加I / O端口电容的最有效方法。芯片电路设计。此外,可以观察到信号完整性和电源完整性之间的相关性,并且当改变不同的去耦电容值时,不仅影响电源波动和接地弹性噪声条件,而且信号波形也会改变。
 
对于需要高控制信号路径抖动的设计,还需要考虑电源完整性对抖动的影响。系统完整性设计和分析系统完整性设计和分析的必要性可以通过一个简单的例子来说明。图2中的简单电力传输网络的仿真结果表明,在所有频率点都不存在高阻抗。此时,电源完整性与激励信号的频谱直接相关,并且如果系统测试中的激励信号避免3个谐振区,则它将不会表现出高阻抗特性。因此,确定激励信号的频谱分布是分析和设计的前提。
 
 
并且激励信号的频谱分布基本上由其数据内容决定,并最终归因于协议的设计。另一个更实际的例子是从并行总线到串行总线的计算机硬件接口的当前趋势,例如从PCI-X到PCI-E以及从ATA到SATA。
 
 
所使用的源和信道编码技术,例如时钟扩频,预加重技术等,可以改善特定环境中信号的传输性能。结合信号完整性和电源完整性的定义,参考端口的选择需要满足可测试性原则,这对工程实现或调试具有直接意义。但是,对于设计链中不同位置的设计人员来说,可测试性的含义并不相同。对于芯片设计人员来说,芯片之间的互连结构可以使用特定的测试芯片进行设计,然后使用探针表进行测试,但对于板级设计人员来说,不可能测试成品芯片甚至封装的互连结构特性。在手中。当在信道解码器的输出端定义信号完整性的参考端口时,误码率的测试非常重要。
 
 
例如,扩频时钟的分析,只在相关解调器的输出中可以比较信号传输的质量,测量将用于误差计,并且在不可能测试的环境中只能依赖于误码率模拟和其他方法。上述情况要求协议算法,电路结构和互连结构的影响可以集成到仿真分析中,目前的仿真工具可以满足这一要求。在分析现有系统时,由于系统完整性分析包含很多因素,加上协议建模需要相当多的工作量,因此,更实用的方法是直接测量协议流(使用逻辑分析仪等)仪器),并将其作为电路激励转移到仿真平台。该方法可以在发生故障时准确地再现系统应用场景,并有助于在现场调试故障系统。
 
分析过程也可以在设计过程中使用,使用测试方法直接获得待分析接口的协议数据,用于预验证的电路设计和布局设计,但是,当硬件还未进行时实施后,将规范或以前的经验值与模拟结果进行比较。结论信号完整性和功率完整性系统的分析和设计的基本要求来自数据传输速率的快速增加,这将先前微秒(VS)的边缘或保留时间减少到纳秒(NS)甚至甚至皮秒(PS)。如此高的带宽要求使得仅考虑布局级解决方案难以满足系统的正常工作需求。此外,集成电路的工艺开发使得集成度大大提高,并且芯片上电流密度的快速增加使得这一点成为可能问题更严重。
 
 
因此,有必要从整个系统设计的开始就考虑信号完整性和电源完整性的问题。 相应地,系统仿真还为仿真工具,完整的仿真过程,方便的操作手段和与测量的紧密结合提出了新的挑战,以便快速有效地解决完整性问题。

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