高速通信系統(tǒng)中PCB板級(jí)電源分配系統(tǒng)對(duì)信號(hào)完整性影響的研究——電源完整性碩士論文.pdf

華東師范大學(xué) 碩士學(xué)位論文 高速通信系統(tǒng)中pcb板級(jí)電源分配系統(tǒng)對(duì)信號(hào)完整性影響的研究 電源完整性 姓名：徐紅波 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：通信與信息系統(tǒng) 指導(dǎo)教師：姚萌 20050401 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 論文摘要 電源完整性( p o w e rh a t e g r i t y , 簡(jiǎn)稱p i ) 是當(dāng)今高速電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性問題， 是信號(hào)完整性( s i g n a li n t e g r i t y ) 問題研究的延伸和深入，其研究的本質(zhì)為高速系 統(tǒng)的電源分配系統(tǒng)對(duì)信號(hào)完整性的影響。研究對(duì)象包含了組成電源分配系統(tǒng)的電 源模塊，電源平面、接地平面、旁路電容和高速芯片的封裝及內(nèi)部電源分配等問 題：電源分配系統(tǒng)產(chǎn)生的同步切換噪聲( s y n c h r o n o u ss w i t c h i n gn o i s e ，簡(jiǎn)稱s s n ) ， 地彈( g r o u n db o u n c e ) ，邊緣效應(yīng)和諧振效應(yīng)等問題。性能不高的電源模塊，系 統(tǒng)中多級(jí)芯片產(chǎn)生同步切換，電源、接地平面的布局不合理都會(huì)造成電源完整性 問題。良好的電源完整性可以保證電源( 含接地) 平面在系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)電 壓波動(dòng)小于一定的目標(biāo)值；而電源完整性欠缺的電源系統(tǒng)可能造成其他元器件的 誤動(dòng)作，致使輸出不正確的數(shù)據(jù)，甚至使系統(tǒng)完全不能工作。 本文從高速通信系統(tǒng)的p c b 板級(jí)電源完整性分析入手： 1 ) 介紹了電源完整性的相關(guān)定義，分析了產(chǎn)生電源完整性問題的原因以及電源 完整性問題對(duì)高速線路造成的影響。并著重分析了電源分配系統(tǒng)的同步切換噪 聲，地彈等現(xiàn)象。 2 ) 分析了旁路電容在解決電源完整性問題中的重要作用。 3 ) 推導(dǎo)建立了組成電源分配系統(tǒng)的開關(guān)電源模塊，電源、接地平面，和旁路電 容的s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a m w i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i sm o d e l ) 模型。 4 ) 利用c a d e n c e 公司的s p e c c t r a q u e s t t mp o w e ri n t e g r i t y ( 簡(jiǎn)稱s qp i ) 設(shè)計(jì) 仿真工具，將所建立的模型有效的應(yīng)用到媒體網(wǎng)關(guān)( m e d i ag a t e w a y ) 產(chǎn)品a 7 x x x 的媒體轉(zhuǎn)換m c m ( m e d i ac o n v e r s i o nm o d u l e ) 控制模塊的電源完整性分析中， 對(duì)部分電源分配路徑進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 5 ) 首次采用動(dòng)態(tài)電子負(fù)載測(cè)量方法，自行設(shè)計(jì)了電源完整性模擬測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境。 通過對(duì)m c m 控制模塊的開關(guān)電源和控制電路板的電源完整性測(cè)試，驗(yàn)證分析了 各種旁路電容對(duì)電源完整性的影響，并總結(jié)探討了高速系統(tǒng)的電源完整性設(shè)計(jì)流 程和方法。 高速通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，如何在設(shè)計(jì)中有效的預(yù)防包括同 步切換噪聲，地彈噪聲在內(nèi)的電源完整性問題已經(jīng)成為系統(tǒng)完整性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 通過不斷的研究和討論電源完整性問題對(duì)于實(shí)際工作中的設(shè)計(jì)觀念、設(shè)計(jì)思路、 設(shè)計(jì)流程以及設(shè)計(jì)手段的改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：信號(hào)完整性，電源完整性，同步切換噪聲，地彈，電源分配系統(tǒng)， 旁路電容，動(dòng)態(tài)電子負(fù)載s p e c c t r a q u c s t 1 1 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t p o w e ri n t e g r i t yi st h ek e yp r o b l e mo f h i g h - s p e e dc i r c u i td e s i g n a tp r e s e n t i t e x t e n d st h ec o n c e l 吐o f s i g n a li n t e g r i t y t h ee s s e n c eo fp o w e ri n t e g r i t yi st h ei m p a c to f p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ( p d s ) f o rs i g r l a li n t e g r i t y t h er e s e a r c ho b j e c t si n c l u d e p o w e rm o d u l e ，p o w e rp l a n e ，g r o u n dp l a n e ，b y p a s sc a p a c i t o r , e n c a p s u l a t i o no f h i g h - s p e e dc h i pa n di n s i d ep o w e rd i s t r i b u t i o n i tr e s o l v e ss y n c h r o n o u ss w i t c hn o i s e ( s s n ) ，g r o u n db a l a n c e ，e d g ea n d r e s o n a n c ee f f e c tp r o b l e m c o m p l e t e l y t h ee l e m e n t s o f l o w - p e r f o r m a n c ep o w e rm o d u l e ，s y n c h r o n o u ss w i t c h i n g o fm a s sc h i p s ，a n d u n r e a s o n a b l ep c b l a y o u to f t h ep o w e r g r o u n d p l a n ec a nb r i n g t h ep r o b l e mo f p o w e r i n t e g r i t y g o o dp o w e ri n t e g r i t yc a l lc l ：l s u l e t h ev a l u eo ff l u c t u a t er a n g ef o rp o w e r p l a n ei sl e s st h a nc e r t a i nt a r g e tv a l u ei nf r e q u e n c yd o m a i n , b u tb a dp o w e ri n t e g r i t y p e r h a p sl e to t h e rc o m p o n e n t sa c tw r o n g , a n db r i n ga b o u to u t p u tu n - c o r r e c tv a l u e ，o r e v e nm a k e s y s t e mn o t w o r k ， f o l l o w i n gc o n t e n t sa b o u tp c b l e v e lp io f h i g h - s p e e ds y s t e ma r er e s e a r c h e di n t h i sa r t i c l e ： 1 ) i n t r o d u c er e l e v a n td e f i n i t i o no fp i ，a n da n a l y z et h ef a c t o r st h a tc a u s ep ip r o b l e m ， e s p e c i a l l yt h es y n c h r o n o u ss w i t c h i n gn o i s e ，g r o u n db a l a n c e ，a n d s oo f f 2 ) a n a l y z et h ei m p o r t a n te f f e c to f b y p a s sc a p a c i t o rf o rr e s o l v i n gp o w e ri n t e g r i t y 3 ) e s t a b l i s ht h es i m u l a t i o nm o d e l sf o rs w i t c h i n gp o w e r m o d u l e ，p o w e r g r o u n dp l a n e ， a n d b y p a s sc a p a c i t o r 4 ) t h r o u g hs p e c c t r a q u s e t p is i m u l a t i o nt o o lo fc a d e n c el t d ，t h e s em o d e l sa r e a p p l i e di np ia n a l y s i sf o rm c m ( m e d i a c o n v e r s i o nm o d u l e ) c o n t r o lm o d u l eo f m e d i a g a t e w a y a 7 x x xs y s t e m p a r t so f p d s a r eo p t i m i z e d 5 ) i n i t i a t et h ep is i m u l a t i o nt e s te n v i r o n m e n tw i t ht h ed y n a m i ce l e c t r o n i cl o a d , a p p l y t h ee n v i r o n m e n tt ot h ep it e s tf o rm c mc o n t r o lm o d u l e ，a n dv a l i d a t et h ei n f l u e n c e o fv a r i o u s b y p a s sc a p a c i t o r s t op id e s i g n f i n a l l y ，t h e d e s i g np r i n c i p l e s a n d p r o c e s so f p i i sa l s od i s c u s s e d i l l 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 t h ed e s i g no fh i 曲- s p e e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sac o m p l e xp r o c e s s n o w , h o wt op r e v e n tp o w e r i n t e g r i t yp r o b l e m si sa ne m p h a s i so fs y s t e mi n t e g r i t yd e s i g n d i s c u s s i n ga n dr e s e a r c h i n go f p ip r o b l e mw i l lp r o m o t et h ei d e a s ，c o n c e p t s ，p r o c e s s a n dm e t h o d s o f h i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g n k e y w o r d ：s i g n a li n t e g r i t y , p o w e ri n t e g r i t y , s y n c h r o n o u ss w i t c h i n gn o i s e ， g r o u n db o u n c e ，p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，b y p a s sc a p a c i t o r , d y n a m i ce l e c t r o n i cl o a d ， s p e c c t r a q u e s t i v 繪紅這碩士學(xué)位論文答辯委員會(huì)成員名單 姓名職稱單位備注 沈建國(guó)教授華東師范大學(xué)主席 應(yīng)吉康教授華東師范大學(xué) 黃昶副教授華東師范大學(xué) 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人所呈交的學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含其他個(gè)人已經(jīng) 發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在 文中作了明確說明并表示謝意。 作者簽名：蝽扛皇整日期：墮：壘，2 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本人完全了解華東師范大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，學(xué)校有權(quán)保 留學(xué)位論文并向國(guó)家主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的電子版和紙質(zhì)版。有權(quán) 將學(xué)位論文用于非贏利嗣的的少量復(fù)制并允許論文進(jìn)入學(xué)校圖書館被查閱。有 權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索。有權(quán)將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要 匯編出版。保密的學(xué)位論文在解密后適用本規(guī)定。 學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名： 日期：一鼻監(jiān)疊 日期： o r i g i n a l i t yn o t i c e i n p r e s e n t i n gt 1 1 i s 也e s i si np a r f a lf h l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t sf o rt h em a s t e r s d e g r e ea te a s tc h i n a n o r m a lu n i v e r s i t y , 1w a r r a n tt h a tt h i st h e s i si so r i g i n a la n da n y o ft h et e c h n i q u e sp r e s e n t e di nt h et h e s i sh a v eb e e nf i g u r e do u tb ym e a n yo ft h e r e f e r e n c e st ot h ec o p y r i g h t ，t r a d e m a r k , p a t e n t , s t a t u t o r yr i 拙o r p r o p r i e t yr i g h to f o t h e r sh a v eb e e ne x p l i c i t l ya c k n o w l e d g e da n di n c l u d e di nt h er e f e r e n c e ss e c t i o na t t h ee n do f t h i st h e s i s s i g n a t u r 。：縫l 三i 蘆d 舭莖：! ：) c o p y r i g h tn o t i c e ih e r e i na g r e et h a tt h el i b r a r yo f e c n us h a l lm a k ：ei t sc o p i e sf r e e l ya v a i l a b l ef o r i n s p e c t i o n if u r t h e ra g r e et h a te x t e n s i v ec o p y i n go f t h et h e s i si sa l l o w a b l eo n l yf o r s c h o l a r l y p u r p o s e s ，i n p a r t i c u l a r , s t o r i n g t h ec o n t e n t o f t h i s t h e s i s i n t o r e l e v a n t d a t a b a s e s ，a sw e l la sc o m p i l i n ga n dp u b l i s h i n gt h et i t l ea n da b s t r a c to f t h i st h e s i s ， c o n s i s t e n tw i t h ”f a i ru s e 。a sp r e s c r i b e di nt h ec o p y r i g h tl a wo f t h e p e o p l e s r e p u b l i co f c h i n a s 蛔蛐。：繾紅資d a t e ：窶! ：) 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章引言 1 1 信號(hào)完整性和電源完整性問題的應(yīng)用背景 隨著i c 輸出開關(guān)信號(hào)的速度和電路工作頻率的提高，無論信號(hào)周期如何， 幾乎所有的設(shè)計(jì)都會(huì)遇到信號(hào)完整性問題。信號(hào)完整性定義為信號(hào)在電路中能以 正確時(shí)序和電壓做出響應(yīng)的能力。 對(duì)于布局來說，信號(hào)完整性需要提供不影響信號(hào)時(shí)序或電壓的電路板布局， 而對(duì)電路設(shè)計(jì)而言，信號(hào)完整性則要求通過布局提供端接元件、布局策略和布線 信息。信號(hào)完整性問題解決得越好，設(shè)計(jì)的效率就越高，也就可以減少線路的修 改以及在電路板設(shè)計(jì)完成之后增加端接器件。 近來，人們對(duì)信號(hào)完整性重要性的認(rèn)識(shí)逐漸深化，在解決信號(hào)完整性所面 臨的定時(shí)、反射、串?dāng)_、振鈴等問題上投入了大量的人力物力進(jìn)行研究，并取得 了相當(dāng)?shù)某晒?。隨著p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 設(shè)計(jì)復(fù)雜度的逐步提高，對(duì)于信 號(hào)完整性的分析除了反射、串?dāng)_以及e m i ( e 1 e c t r om a 舯商ci n t e r f e r e n c e ) 之外，穩(wěn) 定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計(jì)者的重要研究方向之一。尤其當(dāng)開關(guān)器件數(shù)目不斷 增加，核心電壓不斷減小的時(shí)候，電源的波動(dòng)往往會(huì)帶給系統(tǒng)致命的影響，即電 源完整性。 電源完整性是一個(gè)電路設(shè)計(jì)成功與否的最直接標(biāo)志。專業(yè)的 e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ) 仿真工具在進(jìn)行信號(hào)完整性分析時(shí)，一般都 是簡(jiǎn)單地假設(shè)電源絕對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài)( 這與實(shí)際系統(tǒng)是不符合的) ，但隨著系統(tǒng) 設(shè)計(jì)對(duì)仿真精度要求的不斷提高，這種假設(shè)所帶來的系統(tǒng)誤差不再被忽略，實(shí)際 上，對(duì)于高速電路來講，我們已經(jīng)不能夠簡(jiǎn)單地將電源和地平面當(dāng)作理想的情況 來處理。地反彈噪聲、旁路電容的設(shè)計(jì)不合理、多電源地平面的分割不好、底 層布局設(shè)計(jì)不合理、電流分配不均勻等導(dǎo)致的電源完整性方面的問題，最終會(huì)引 起信號(hào)的畸變而影響到信號(hào)的完整性。而新一代的信號(hào)完整性仿真必須建立在可 靠的電源完整性分析基礎(chǔ)之上。本論文所研究的內(nèi)容就是在基于高速電子線路電 源完整性分析理論研究的基礎(chǔ)之上，構(gòu)造出系統(tǒng)信號(hào)完整性問題分析模型，使用 c a d e n c e 公司s p e c c t r a q u e s tp t 仿真軟件模塊進(jìn)行電源完整性的仿真，并對(duì)影 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 響電源完整性的重要因素進(jìn)行測(cè)試和結(jié)果分析。 1 2 信號(hào)完整性問題的產(chǎn)生原因 信號(hào)完整性是指信號(hào)沿導(dǎo)線傳輸后的質(zhì)量。在高速系統(tǒng)中，一段導(dǎo)線不僅僅 是導(dǎo)體，也己成為具有分布參數(shù)的傳輸線。能否處理好系統(tǒng)的信號(hào)互連( p c b 布線) ， 解決信號(hào)完整性問題，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。同時(shí)，信號(hào)完整性也是解決電源 完整性、電磁兼容( e m c ，e l e c t r ol v i a g r t e t i ec o m p a t i b i l i t y ) 與電磁干擾盼基礎(chǔ)和 前提。 信號(hào)完整性問題由下列因素引起： 高密度、深亞微米芯片的大量使用，p c b 板級(jí)互連信號(hào)達(dá)到吉比特量級(jí)，使信 號(hào)上升下降沿時(shí)間由以前的幾個(gè)納秒( n s ) 到目前的1 0 0 個(gè)皮秒0 s ) ，這使得芯片 及p c b 設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性問題凸現(xiàn)出來，這些問題憑以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是不足 以解決的。 3 5 高速通信系統(tǒng)的信號(hào)互連往往比較復(fù)雜、密度大，a s i c 芯片管腳數(shù)已近2 0 0 0 個(gè)。同步切換噪聲、封裝寄生效應(yīng)、信號(hào)反射與串?dāng)_、多電源之間的干擾、數(shù)模 混合信號(hào)之間的干擾等，這些都使得表面上可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)根本無法正常工作。 即使是幾兆的低速信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題。它與信號(hào)源、負(fù)載、互連拓 撲結(jié)構(gòu)等均有關(guān)系。此外，在數(shù)字電路分析中，如果信號(hào)上升時(shí)間t r 小于4 倍 傳輸延時(shí)t p d ，就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題。 從廣義上講，信號(hào)完整性問題主要表現(xiàn)為幾個(gè)方面：延遲、反射、振蕩、串 擾、同步切換噪聲和電磁兼容性。一般認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)工作在5 0 m t z 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生 信號(hào)完整性問題，而隨著系統(tǒng)和器件頻率的不斷攀升，信號(hào)完整性的問題也就愈 發(fā)突出。元器件和p c b 板的參數(shù)、元器件在p c b 板上的布局、高速信號(hào)的布線等 這些問題都會(huì)引起信號(hào)完整性闖題，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至完全不能正常工 作。 華東師范大學(xué)碗士學(xué)位論文 1 3 高速系統(tǒng)的電源完整性 相對(duì)于信號(hào)完整性，電源完整性分析是一項(xiàng)新的分析技術(shù)，它被認(rèn)為是高速 高密度p c b 設(shè)計(jì)中目前的最大挑戰(zhàn)之一。相對(duì)于信號(hào)完整性分析，電源完整性 是頻域的概念，難度比信號(hào)完整性大，但在某些方面和信號(hào)完整性又有相通之處。 電源完整性對(duì)技能要求更高，對(duì)于高速設(shè)計(jì)而言，它不但涉及板級(jí)，同時(shí)還涉及 到芯片和封裝級(jí)的設(shè)計(jì)問題。 表1 - 1 信號(hào)完整掛與電源完整性的比較【1 6 信號(hào)完整性電源完整性 性質(zhì)時(shí)域的概念頻域的概念 發(fā)展水平技術(shù)相當(dāng)成熟理論在不斷完善 測(cè)試方法阻抗測(cè)試、波形測(cè)試、眼圖網(wǎng)絡(luò)分析儀 仿真工具非常豐富、功能強(qiáng)大功能不斷提高 在高速電路的設(shè)計(jì)中，電源完整性的設(shè)計(jì)是一件非常復(fù)雜的事情，高速電源 分配系統(tǒng)( p o w e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，簡(jiǎn)稱p d s ) 在不同頻率下，阻抗特性不同， 使得p c b 板上電源層與地層間的電壓在電路板的各處不盡相同，從而造成供電 的不連續(xù)，產(chǎn)生電源噪聲，使芯片不能正常工作；同時(shí)由于高頻輻射，電源完整 性還會(huì)帶來e m c e m i 問題。如果不能很好的解決的電源完整性問題，就會(huì)影響 系統(tǒng)的正常工作。 通常，電源完整性問題主要通過鼯個(gè)途徑來解決：優(yōu)化電路板盼疊層設(shè)計(jì)以 及布局布線，以及增加退耦電容。退耦電容在系統(tǒng)頻率小3 0 0 - 4 0 0 m h z 時(shí)，可以 起到抑制頻率、濾波和阻抗控銣的作用，但在高頻條件下，除了增加退耦電容， 還需要通過優(yōu)化電路板的層間距設(shè)計(jì)以及布局布線或者其他降低電源、地噪聲的 方法( 如適當(dāng)匹配降低電源傳輸系統(tǒng)的反射問題) 等來解決電源完整性問題，同 時(shí)抑制e m c e m i 。 本文研究的重點(diǎn)就在于高速電子線路的電源完整性設(shè)計(jì)，通過建模仿真， 以及可行性方案的設(shè)計(jì)和測(cè)試，進(jìn)而提高速電子線路的穩(wěn)定性和可靠性。 3 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 4 本文的研究框架和主要內(nèi)容 本文的研究框架和主要內(nèi)容安排如下： 第一章引言 簡(jiǎn)要介紹信號(hào)完整性的應(yīng)用背景、產(chǎn)生原因，以及電源完整性的設(shè)計(jì)理念， 從而引出本文的研究目標(biāo)及內(nèi)容安排。 第二章高速系統(tǒng)的電源完整性分析 分析了高速電子線路的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，電源完整性概念，以及對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響 的幾個(gè)重要方面。 第三章電源完整性分析模型的建立 - 詳細(xì)介紹了電源分系統(tǒng)建模的理論基礎(chǔ)，針對(duì)電源分系統(tǒng)的主要組成部份 構(gòu)造了三個(gè)用于電源完整性仿真分析的重要模型：開關(guān)電源模型，電源接地平面 模型和旁路電容模型。 第四章電源完整性的系統(tǒng)仿真 選擇c a d e n c es p e c c t r a q u e s t 模塊進(jìn)行電源完整性的仿真。并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn) 行分析。 第五章高速電子線路電源完整性的設(shè)計(jì)和測(cè)試 在對(duì)高速電子線路電源完整性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)影響電源完整性的重要因素 進(jìn)行測(cè)試和結(jié)果分析。 第六章總結(jié)和展望 對(duì)本文的內(nèi)容，分析模型和仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。 4 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章高速系統(tǒng)的電源完整性分析 新的i c 制造技術(shù)使電子元器件實(shí)現(xiàn)了小型化和高速化，隨著芯片輸出開關(guān) 速度的提高，信號(hào)的上升和下降時(shí)間迅速縮減，不論信號(hào)頻率如何，系統(tǒng)都將成 為高速系統(tǒng)，從而出現(xiàn)各種各樣的信號(hào)完整性問題。高速系統(tǒng)，是指由于信號(hào)的 高速變化使得電路中的模擬特性，產(chǎn)生影響的電路，故也稱為高速電子線路。一 個(gè)系統(tǒng)是否屬于高速系統(tǒng)，不僅涉及信號(hào)的工作頻率，而且涉及所使用的元器件， 傳輸線的季孛類等。一般情況下，工作頻率超過5 0 m h z 的電路系統(tǒng)就稱為高速系 統(tǒng)。 但是，在高速電子線路設(shè)計(jì)中，人們往往局限于在信號(hào)線上進(jìn)行研究，而把 電源和地當(dāng)成理想的情況來處理，雖然這樣做能使閫題簡(jiǎn)化，但是在高速設(shè)計(jì)中， 這種簡(jiǎn)化帶來誤差相當(dāng)大。盡管電路設(shè)計(jì)比較直接的結(jié)果是從信號(hào)完整性上體現(xiàn) 出來的，但我們絕不能因此忽略了電源完整性的設(shè)計(jì)。因?yàn)殡娫赐暾灾苯佑绊?最終p c b 板的信號(hào)完整性。電源完整性和信號(hào)完整性二者是密切關(guān)聯(lián)的，而且在 很多情況下，影響信號(hào)畸變的主要原因是電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不當(dāng)。因此，高速系統(tǒng) 的電源完整性設(shè)計(jì)成為保持高速電子線路信號(hào)完整性的關(guān)鍵所在。 2 1 信號(hào)完整性和電源完整性 信號(hào)完整性定義為信號(hào)在電路中能以正確時(shí)序和電壓做出響應(yīng)的能力，即指 在信號(hào)線上的信號(hào)質(zhì)量。信號(hào)具有良好的信號(hào)完整性是指電路中信號(hào)達(dá)到的電壓 電平數(shù)值和波形形狀。信號(hào)完整性問題一般不是由某單一因素引起的，而是在板 級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同引起的。信號(hào)完整性問題主要表現(xiàn)為幾個(gè)方面：延遲、反 射、串?dāng)_、振蕩、地彈和電磁兼容性( e m i ) 。 相對(duì)于信號(hào)完整性，電源完整性是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域，它被認(rèn)為是高速高 密度p c b 設(shè)計(jì)目前最大的挑戰(zhàn)之一。 電源完整性是指在高速電子線路中，電源傳輸系統(tǒng)在不同頻率上，由于阻抗 特性不同，使p c b 板上電源層與地層間的電壓在電路板的各處不盡相同，從而造 成供電不連續(xù)，產(chǎn)生電源噪聲，使蒼片不能正常工作；同時(shí)由于高頻輻射，電源 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論丈 完整性問題還會(huì)帶來e m c 蹦i 問題。如果不能很好地解決電源完整性問題，會(huì)嚴(yán) 重影響系統(tǒng)的正常工作。 在研究信號(hào)完整性和電源完整性時(shí)，反射，過沖和下沖，同步切換以及地 彈等是分析中主要研究的對(duì)象： 1 9 1 ( 1 ) 反射( r e f l e c t i o n ) 反射是在傳輸線上信號(hào)的回波， 信號(hào)功率( 電壓和電流) 一部分傳輸 到線上并達(dá)到負(fù)載處，而另一部分被 反射回源端。源端與負(fù)載端阻抗不匹配會(huì)引起線上反射，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)，反之，如果負(fù)載阻抗大于源 阻抗，反射電壓為正。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過連接器的傳輸及 電源平面的不連續(xù)等因素的變化均會(huì)導(dǎo)致此類反射。 ( 2 ) 過沖( o v e r s h o o t ) 和下沖( u n d e r s h o o t ) 過沖指信號(hào)跳變的第一個(gè)峰值或 谷值超過規(guī)定的電壓值，對(duì)于上升沿是 指最高電壓而對(duì)于下降沿是指最低電 壓。下沖指下一個(gè)谷值或峰值。信號(hào)的 過沖和下沖是由集成電路切換速度過 高以及信號(hào)傳輸路徑反射引起的。過分的過沖能夠引起保護(hù)二極管工作，導(dǎo)致電 路器件過早地失效。過分的下沖能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤( 誤操作) 。 ( 3 ) 信號(hào)的振蕩( r i n g i n g ) 和環(huán)繞( r o u n d i n g ) 振蕩和環(huán)繞表現(xiàn)為信號(hào)反復(fù)出現(xiàn)過沖和下沖，在邏輯電平的門限上下抖動(dòng)。 振蕩屬于欠阻尼狀態(tài)，而環(huán)繞振蕩屬于過阻尼狀態(tài)。信號(hào)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終端與源端的阻抗均衡失配所造成的。通 常，周期脈沖信號(hào)( 如時(shí)鐘信號(hào)) 包含豐富的高次諧波而容易發(fā)生信號(hào)完整性故 障。振蕩和環(huán)繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的，可以通過適當(dāng)?shù)亩私佑?以抑制，但是不可能完全消除。 ( 4 ) 信號(hào)延遲 信號(hào)延遲表明數(shù)據(jù)或時(shí)鐘信號(hào)沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以一定的持續(xù)時(shí)間和幅 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 度到達(dá)終端。由于集成電路是按規(guī)定的時(shí)序接收數(shù)據(jù)，過長(zhǎng)的信號(hào)延遲可能導(dǎo)致 時(shí)序違背和功能混亂。信號(hào)延遲是由驅(qū)動(dòng)過載、走線過長(zhǎng)的傳輸線效應(yīng)引起的。 傳輸線上等效電容、電感會(huì)對(duì)信號(hào)的切換產(chǎn)生延遲，影響集成電路的建立時(shí)間和 保持時(shí)間，延遲足夠長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致集成電路無法正確判斷數(shù)據(jù)。 ( 5 ) 地電平面反彈噪聲和同步切換噪聲 接地反彈指由于電路中較大的電流涌動(dòng)在電源與接地平面間產(chǎn)生大量噪聲 的現(xiàn)象( 簡(jiǎn)稱為地彈) 。同步切換噪聲是指大量芯片同步切換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較 大的瞬態(tài)電流從芯片與電源平面間流過，芯片封裝與電源平面間的寄生電感、電 容和電阻會(huì)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(dòng)，也稱為a i 噪聲。 ( 6 ) 襯底耦舍( u n d e r l a yc o u p l i n g ) 在硅片設(shè)計(jì)中，由于襯底具有定的電阻率，電流通過時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降。而 m o s f e t 管的闡值電壓( 開啟) 取決于柵區(qū)下面襯底的有效電壓，襯底電流產(chǎn)生 的壓降可能會(huì)超過m o s f e t 管的閾值電壓，而且可能會(huì)超過邏輯門或時(shí)鐘電路的 閩值電壓，使工作很不穩(wěn)定。隨著芯片特征尺寸的減小，襯底的電阻增大，問題 更加突出。 ( 7 ) 串?dāng)_( e r o s s t a l k ) 串?dāng)_是沒有電氣連接的信號(hào)線之間電磁耦合導(dǎo)致的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，信 號(hào)線之間的互感和互容引起線上的噪聲。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)鐘速率的升高和設(shè)計(jì)尺寸的縮小而加大。 ( 8 ) e m i e m i 有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電體把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)上的信號(hào)耦合( 干擾) 到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信 號(hào)耦合( 干擾) 到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在高速p c b 及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、 集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有輻射特性干擾源，影響其他系統(tǒng) 或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 電源完整性的影響因素 高速電子線路中，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)引起信號(hào)畸變主要表現(xiàn)在：地反彈噪聲 太大、旁路電容的設(shè)計(jì)不合適、回路影響很嚴(yán)重、多電源地層設(shè)計(jì)不合理、電 流不均勻等?！? 5 影響電源完整性的因素可以分為四類： 1 ) 同步切換和地彈 2 、非理想的電源分配系統(tǒng)阻抗 3 ) 旁路電容 4 ) 諧振及邊緣效應(yīng) 2 2 1 同步切換和地彈 在電路中有大的電流涌動(dòng)時(shí)會(huì)引起地彈，如大量芯片的輸出同時(shí)開啟時(shí)，會(huì) 產(chǎn)生一個(gè)較大的瞬態(tài)電流在芯片與p c b 板的電源平面流過。芯片封裝與電源平面 的電感和電阻會(huì)引發(fā)電源噪聲，在地平面( o v ) 上產(chǎn)生電壓的波動(dòng)和變化，這個(gè) 噪聲會(huì)影響其他元器件的動(dòng)作。負(fù)載電容的增大、負(fù)載電阻的減小、地電感的增 大、同時(shí)開關(guān)器件數(shù)目的增加均會(huì)導(dǎo)致地彈的增大。 同步切換噪聲給信號(hào)傳輸帶來的影響更為顯著，由于地引線和平面存在寄生 電感，在開關(guān)電流的作用下，會(huì)造成定的電壓波動(dòng)，也就是說器件的參考地已 經(jīng)不再保持零電平，這樣，在驅(qū)動(dòng)端( 圖2 一l a ) ，發(fā)送低電平時(shí)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的 噪聲電壓，當(dāng)信號(hào)相位和地面噪聲相通，同時(shí)導(dǎo)致信號(hào)的下降變緩；在接收端( 圖 2 - - l b ) ，信號(hào)的波形同樣會(huì)受到地噪聲的干擾，不過這時(shí)的干擾波形和地噪聲相 位相反；另外，在一些存儲(chǔ)性器件里，有可能因?yàn)楸旧黼娫春偷卦肼暤挠绊懺斐?數(shù)據(jù)意外翻轉(zhuǎn)( 圖2 一l c ) 。 低電平信號(hào)下降沿變緩 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 令，、。 、 j 曠 q i ( c ) 圖2 1 ( a ) 地彈噪聲對(duì)驅(qū)動(dòng)端信號(hào)的影響( b ) 地彈噪聲對(duì)接受端信號(hào)的影響 ( c ) 觸發(fā)器數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn) f i g e , 2 1 ( a ) i n f l u e n c eo f g r o u n d b o u n c e f o r d r i v e r t e r m i n a ls i g n a l ( b ) i n f l u e n c eo f g r o u n d b o , m c e f o r r e c e i v e r t e r m i n a ls i g n a l ( c ) t h e s i g n a l o f t r i g g e r i _ e v e r s e 2 2 2 非理想的電源分配系統(tǒng)阻抗 電源噪聲的產(chǎn)生在很大程度上歸結(jié)于非理想的電源分配系統(tǒng)。所謂電源分配 系統(tǒng)，其作用就是給系統(tǒng)內(nèi)的所有器件提供足夠的電源，這些器件不但需要足夠 的功率消耗，同時(shí)對(duì)電源的平穩(wěn)性也有一定的要求。電源電壓之所以波動(dòng)，就是 因?yàn)閷?shí)際的電源平面總是存在著阻抗，這樣，在瞬間電流通過的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生 一定的電壓降和電壓擺動(dòng)。為了保證每個(gè)器件始終都能得到正常的電源供應(yīng)，就 需要對(duì)電源分配系統(tǒng)的阻抗進(jìn)行控制，也就是盡可能降低其阻抗。 1 h z1 k h z 圖2 2 控制電源分配系統(tǒng)目標(biāo)阻抗各個(gè)頻率范圍之內(nèi)的有效器件 f i g u r e2 - 2b f f i c i e md e v i c e si nv a r i e sf r e q u e n c yo f p d si m p e d a n c e 9 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 3 旁路電容 我們把應(yīng)用于高速電子線路中為解決電源完整性問題而使用的電容統(tǒng)一稱 為旁路電容。無論是降低電源分配系統(tǒng)的阻抗，還是減少同步切換噪聲，旁路電 容都起著很大的作用，高速電子線路的電源完整性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也就是在如何合理 的選擇這些電容。 旁路電容的作用：當(dāng)一個(gè)輸出狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)( 例如，驅(qū)動(dòng)和輸出引腳從邏 輯高電平向低電平轉(zhuǎn)化的瞬間，輸出結(jié)構(gòu)立即通過分布結(jié)構(gòu)從電源系統(tǒng)通路到地 平面呈現(xiàn)低阻抗通路) ，輸出電平的轉(zhuǎn)變會(huì)引起輸出出現(xiàn)充放電現(xiàn)象，并要求電 流立即供給到輸出端，來達(dá)到所需的電壓水平，在這種情況下，旁路電容可局部 提供能量的存儲(chǔ)來滿足這種電流的瞬態(tài)反應(yīng)。 【a 】( b ) 圖2 - 3 實(shí)際電容的寄生情況 ( a ) 有寄生電阻的實(shí)際電容模型( b ) 忽略寄生電阻的實(shí)際電容模型 f i g u r e 2 - 3a u t o e e i o u s n e s so f r e a lc a p a c i t o r ( a ) r e a lc a p a c i t o rm o d e lw i t ha u t o e c i o u sr e s i s t o r ( b ) r e a l c a p a c i t o rm o d e l w i t h o u ta u t o e c i o u sr e s i s t o r 電容濾波的目的是濾除疊加在電源系統(tǒng)中的交流成分，當(dāng)頻率一定時(shí)，電容 值越大，回路中的阻抗就越小，這樣交流信號(hào)就越容易通過電容流到地平面上去， 換句話說，即似乎電容值越大其濾波效果越好，事實(shí)上并非如此，因?yàn)閷?shí)際電容 并不具有理想電容的所有特性。實(shí)際電容存在寄生成分，這是構(gòu)造電容器極板和 引線時(shí)所形成的，而這些寄生成分可等效為串聯(lián)在電容上的電阻與電感，通常稱 之為等效串聯(lián)電阻( e q u i v a l e n ts e r i e sr e s i s t a n c e ，縮寫e s r ) 和等效串聯(lián)電感 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( e q u i v a l e n ts e r i e si n d u c t a n c e ，縮寫e s l ) ，其模型如圖2 3 ( a ) 。如果忽略電容 的寄生電阻則模型可等效為圖2 3 ( b ) 。這樣電容實(shí)際上就是一個(gè)串聯(lián)諧振電路。 在實(shí)際的電路或者p c b 設(shè)計(jì)中，電容寄生電感的存在將對(duì)電容的濾波性能帶來很 大的影響，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該選擇寄生電感比較小的電容。 圖2 4 簡(jiǎn)單介紹電容的插入損耗特性、頻率響應(yīng)特性與電容的濾波特性對(duì)電 源完整性的影響。 嬲) 電寤群啤 勢(shì)少” 。，一7 。蛐 ： ( a )( b ) 圖2 - 4 ( a ) 理想電容的插入損耗特性曲線( b ) 實(shí)際電容的高頻特性曲線 f i g u r e 2 - - 4 ( a ) t h ei n s e r t i o n l o s sc u r v oo f i d e a l c a p a c i t a n c e c o ) h i g hf r e q u e n c yc r a c t c d s t j cc g t eo f f a lc a p a c i t a n c e 插入損耗的定義為：沒有濾波器接入時(shí)，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的噪聲功率 p 1 和接入濾波器后，噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的噪聲功率p 2 之比，即p 1 p 2 ，用d b ( 分 貝) 來表示。 由圖2 - 4 ( a ) ，當(dāng)頻率增加時(shí)，電容的插入損耗值是增加的，也就是說p 1 p 2 值是增加的，即系統(tǒng)通過電容濾波以后，能夠傳輸?shù)截?fù)載的噪聲減少，電容濾除 高頻噪聲的能力增強(qiáng)。由分布參數(shù)理想電容的公式，當(dāng)電容一定時(shí)，信號(hào)頻率越 高，回路阻抗越低，也即電容易于濾除高頻的成分。e m i 電源濾波器對(duì)干擾噪聲 的抑制能力通常用插入損耗( i n s e r t i o nl o s s ) 特性來衡量。插入損耗的定義為： 沒有濾波器接入時(shí)，從噪聲源傳輸?shù)截?fù)載的噪聲功率p 1 和接入濾波器后，噪聲 源傳輸?shù)截?fù)載的噪聲功率p 2 之比，用d b 表示。 由圖2 - 4 ( b ) ，實(shí)際電容在工作時(shí)由于存在寄生電感的緣故，使得電容回路成 為一個(gè)串聯(lián)諧振回路。兀= ：_ 二；一式中：l 為等效電感：c 為實(shí)際電容j o 為 ?？闭? z c 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 諧振頻率。如圖2 4 所示，當(dāng)頻率工小于如時(shí)，呈現(xiàn)為電容；頻率五大于而時(shí)， 呈現(xiàn)為電感。所以，電容器更像是一個(gè)帶阻濾波器，而不是一個(gè)低通濾波器。電 容的e s l 和e s r 是由電容的構(gòu)造和所用介質(zhì)材料決定的，與電容容量無關(guān)。對(duì) 于高頻的抑制能力并不會(huì)因?yàn)楦鼡Q大容量的同類型電容而增強(qiáng)。更大容量的同類 型電容器的阻抗在頻率低于如時(shí)，比小容量電容器的阻抗小，但是，當(dāng)頻率大于 如時(shí)，e s l 決定了二者的阻抗沒有差別。為了改進(jìn)高頻濾波特性，必須使用具有 較低e s l 的電容器。任何一種電容器的有效頻率范圍是有限的，而對(duì)于一個(gè)系 統(tǒng)，既有低頻噪聲，又有高頻噪聲，所以通常要用不同類型的電容并聯(lián)來達(dá)到更 寬的有效頻率范圍。 2 2 4 諧振與邊緣效應(yīng) 圖2 - 5 諧振與邊緣效應(yīng) f i g u r e 2 - 5a f f e c t i o no f r e s o n a n c ea n dv e i g e 如圖2 - 5 ，我們可以看出，電源平面可以看成是由多個(gè)電感和電容構(gòu)成的諧 振網(wǎng)絡(luò)( 電路分析) ，或可以看成是一個(gè)諧振腔( 電場(chǎng)分析) ，在一定頻率范圍會(huì) 發(fā)生諧振。電源平面和地平面的邊緣效應(yīng)同樣是電源設(shè)計(jì)中需要注意的問題，這 里說的邊緣效應(yīng)就是指邊緣反射和輻射現(xiàn)象。如果抑制了電源平面上的高頻噪 聲，就能很好的減輕邊緣的電磁輻射，通常使用增加旁路電容的方法。而邊緣效 應(yīng)是無法完全避免的，所以在設(shè)計(jì)p c b 時(shí)，要盡量讓信號(hào)遠(yuǎn)離鋪銅區(qū)邊緣，以 避免受到太大的干擾。 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 高速c m o s 電路的電源完整性分析 在高速c m o s 電路中，高集成度高速的i c 器件由于受到器件封裝上寄生電感 的作用而產(chǎn)生同步切換噪聲。同步切換噪聲的存在，會(huì)引起邏輯電路的開關(guān)狀態(tài) 錯(cuò)誤，如得不到有效及時(shí)的控制，信號(hào)完整性問題將對(duì)高速電路和系統(tǒng)產(chǎn)生顯著 的影響。同步切換噪聲還會(huì)引起信號(hào)時(shí)序和質(zhì)量的變壞，如上升沿變緩，信道傳 輸延遲，過沖增大等等問題。 圖2 - 6 c m o s 電路同步切換噪聲模型 f i g u r e 2 - 6t h em o d e lo f s s n f o rc m o sc i r c u i t 在圖2 - 6 中，v 。表示外部電源，i n t 表示片內(nèi)芯片電源。g n d 表示外部 地線，g n d i n t 表示片內(nèi)地線。l 。和l 。分別表示電源線和地線上的電感，c l 為 負(fù)載電容。 當(dāng)輸入端由于低電平到高電平轉(zhuǎn)換時(shí)，p 管由飽和區(qū)經(jīng)線性區(qū)進(jìn)入截止區(qū)， 而n 管則由截止區(qū)經(jīng)線性區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)。在這個(gè)過程當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo) 通的情況，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰電流，它會(huì)產(chǎn)生同步切換噪聲，電感l(wèi) 。和晶 體管的等效電容組成l c 振蕩，在v 。i n t 引起小的電壓擺幅，而負(fù)載電容c 。要 對(duì)n 管放電，l ，。上不僅有直通電流還有放電電流，所以k 。上的電流變化要比 l ，。上的大得多，l 。上的電壓降將很大，在這個(gè)轉(zhuǎn)換過程中躁聲主要由電感l(wèi) 。 引起，所以這時(shí)的噪聲稱為地彈噪聲。 電感l(wèi) 上的電壓降為： 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 砌( f 1 ：工墮 疵 ( 2 - i ) 我們主要考慮噪聲電壓的最大值，假設(shè)噪聲電壓最大值出現(xiàn)在開關(guān)時(shí)間t r 之外，這時(shí)輸入電壓保持在高電平，n 管的柵源電壓將下降，電流的變化率 將減小，噪聲電壓k 將減小，這與假設(shè)不符合，故噪聲電壓的最大值一定出現(xiàn) 在開關(guān)時(shí)間k 內(nèi)。 在輸入由低到高的轉(zhuǎn)換過程中，輸出端保持高電位，n 管一直處于飽和區(qū)。 這時(shí)通過n 管的電流為： 小等( 吲2 其中為驅(qū)動(dòng)器管的跨導(dǎo)參數(shù)，肛。f 舊 其中： 是驅(qū)動(dòng)器管的內(nèi)部電容，與w l ( n m o s 的寬長(zhǎng)比) 有關(guān) 電壓。對(duì)上述模型來說，= k 。一故( 2 - 2 ) 變?yōu)椋?。善( 一巧吲2 ( 2 - 2 ) 口。是放大率；c 佑j 聆為n m o s 管的閩值 ( 2 3 ) 假設(shè)這時(shí)有n 個(gè)同步開關(guān)同時(shí)開關(guān)，這樣在電感上的電壓降則為： 哪) = 也等 4 ) 聯(lián)立式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) ，可得 _ = n l k ( v 。一_ 吲等一爭(zhēng) ( 2 - 5 ) 因?yàn)樵肼暿窃陔娐飞嫌须娏鲿r(shí)才產(chǎn)生的，當(dāng)v 。小于閾值電壓時(shí)，電路上無 電流，也就無噪聲電壓。同時(shí)可以近似認(rèn)為噪聲電壓、r n 在t r ( v 。等于閾值電壓 v t 時(shí)) 和開關(guān)時(shí)間上是線性變化的且在t r 時(shí)達(dá)到最大值。 v 。隨時(shí)間的變化關(guān)系為： 14 華東師范丈學(xué)碩士學(xué)位論文 ( f ) ：