高速通信系統(tǒng)中PCB板級電源分配系統(tǒng)對信號完整性影響的研究——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板級電源分配系統(tǒng)對信號完整性影響的研究 電源完整性 姓名：徐紅波 申請學(xué)位級別：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 , 簡稱p i ) 是當(dāng)今高速電路設(shè)計中的關(guān)鍵性問題， 是信號完整性( 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)對信號完整性的影響。研究對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)中多級芯片產(chǎn)生同步切換，電源、接地平面的布局不合理都會造成電源完整性 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 ( 簡稱s qp i ) 設(shè)計 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， 對部分電源分配路徑進行了優(yōu)化設(shè)計。 5 ) 首次采用動態(tài)電子負載測量方法，自行設(shè)計了電源完整性模擬測試驗證環(huán)境。 通過對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試，驗證分析了 各種旁路電容對電源完整性的影響，并總結(jié)探討了高速系統(tǒng)的電源完整性設(shè)計流 程和方法。 高速通信系統(tǒng)設(shè)計是一個十分復(fù)雜的過程，如何在設(shè)計中有效的預(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)計的重點。 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于實際工作中的設(shè)計觀念、設(shè)計思路、 設(shè)計流程以及設(shè)計手段的改進具有指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：信號完整性，電源完整性，同步切換噪聲，地彈，電源分配系統(tǒng)， 旁路電容，動態(tài)電子負載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)位論文答辯委員會成員名單 姓名職稱單位備注 沈建國教授華東師范大學(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人已經(jīng) 發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，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)位論文并向國家主管部門或其指定機構(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)信號的速度和電路工作頻率的提高，無論信號周期如何， 幾乎所有的設(shè)計都會遇到信號完整性問題。信號完整性定義為信號在電路中能以 正確時序和電壓做出響應(yīng)的能力。 對于布局來說，信號完整性需要提供不影響信號時序或電壓的電路板布局， 而對電路設(shè)計而言，信號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。信號完整性問題解決得越好，設(shè)計的效率就越高，也就可以減少線路的修 改以及在電路板設(shè)計完成之后增加端接器件。 近來，人們對信號完整性重要性的認識逐漸深化，在解決信號完整性所面 臨的定時、反射、串?dāng)_、振鈴等問題上投入了大量的人力物力進行研究，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)計復(fù)雜度的逐步提高，對于信 號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候，電源的波動往往會帶給系統(tǒng)致命的影響，即電 源完整性。 電源完整性是一個電路設(shè)計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 ) 仿真工具在進行信號完整性分析時，一般都 是簡單地假設(shè)電源絕對處于穩(wěn)定狀態(tài)( 這與實際系統(tǒng)是不符合的) ，但隨著系統(tǒng) 設(shè)計對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，實際 上，對于高速電路來講，我們已經(jīng)不能夠簡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)計不合理、多電源地平面的分割不好、底 層布局設(shè)計不合理、電流分配不均勻等導(dǎo)致的電源完整性方面的問題，最終會引 起信號的畸變而影響到信號的完整性。而新一代的信號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 仿真軟件模塊進行電源完整性的仿真，并對影 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行測試和結(jié)果分析。 1 2 信號完整性問題的產(chǎn)生原因 信號完整性是指信號沿導(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)的信號互連( p c b 布線) ， 解決信號完整性問題，是系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵。同時，信號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 板級互連信號達到吉比特量級，使信 號上升下降沿時間由以前的幾個納秒( n s ) 到目前的1 0 0 個皮秒0 s ) ，這使得芯片 及p c b 設(shè)計中的信號完整性問題凸現(xiàn)出來，這些問題憑以往的設(shè)計經(jīng)驗是不足 以解決的。 3 5 高速通信系統(tǒng)的信號互連往往比較復(fù)雜、密度大，a s i c 芯片管腳數(shù)已近2 0 0 0 個。同步切換噪聲、封裝寄生效應(yīng)、信號反射與串?dāng)_、多電源之間的干擾、數(shù)模 混合信號之間的干擾等，這些都使得表面上可行的系統(tǒng)設(shè)計根本無法正常工作。 即使是幾兆的低速信號也會產(chǎn)生信號完整性問題。它與信號源、負載、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，如果信號上升時間t r 小于4 倍 傳輸延時t p d ，就會產(chǎn)生信號完整性問題。 從廣義上講，信號完整性問題主要表現(xiàn)為幾個方面：延遲、反射、振蕩、串 擾、同步切換噪聲和電磁兼容性。一般認為，當(dāng)系統(tǒng)工作在5 0 m t z 時，就會產(chǎn)生 信號完整性問題，而隨著系統(tǒng)和器件頻率的不斷攀升，信號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、高速信號的布線等 這些問題都會引起信號完整性闖題，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 相對于信號完整性，電源完整性分析是一項新的分析技術(shù)，它被認為是高速 高密度p c b 設(shè)計中目前的最大挑戰(zhàn)之一。相對于信號完整性分析，電源完整性 是頻域的概念，難度比信號完整性大，但在某些方面和信號完整性又有相通之處。 電源完整性對技能要求更高，對于高速設(shè)計而言，它不但涉及板級，同時還涉及 到芯片和封裝級的設(shè)計問題。 表1 - 1 信號完整掛與電源完整性的比較【1 6 信號完整性電源完整性 性質(zhì)時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 測試方法阻抗測試、波形測試、眼圖網(wǎng)絡(luò)分析儀 仿真工具非常豐富、功能強大功能不斷提高 在高速電路的設(shè)計中，電源完整性的設(shè)計是一件非常復(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；同時由于高頻輻射，電源完整 性還會帶來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途徑來解決：優(yōu)化電路板盼疊層設(shè)計以 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，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 時抑制e m c e m i 。 本文研究的重點就在于高速電子線路的電源完整性設(shè)計，通過建模仿真， 以及可行性方案的設(shè)計和測試，進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 簡要介紹信號完整性的應(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)計和結(jié)構(gòu)，電源完整性概念，以及對系統(tǒng)產(chǎn)生影響 的幾個重要方面。 第三章電源完整性分析模型的建立 - 詳細介紹了電源分系統(tǒng)建模的理論基礎(chǔ)，針對電源分系統(tǒng)的主要組成部份 構(gòu)造了三個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 模塊進行電源完整性的仿真。并對仿真結(jié)果進 行分析。 第五章高速電子線路電源完整性的設(shè)計和測試 在對高速電子線路電源完整性設(shè)計的基礎(chǔ)上，對影響電源完整性的重要因素 進行測試和結(jié)果分析。 第六章總結(jié)和展望 對本文的內(nèi)容，分析模型和仿真結(jié)果進行總結(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，信號的上升和下降時間迅速縮減，不論信號頻率如何，系統(tǒng)都將成 為高速系統(tǒng)，從而出現(xiàn)各種各樣的信號完整性問題。高速系統(tǒng)，是指由于信號的 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 個系統(tǒng)是否屬于高速系統(tǒng)，不僅涉及信號的工作頻率，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)計中，人們往往局限于在信號線上進行研究，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化，但是在高速設(shè)計中， 這種簡化帶來誤差相當(dāng)大。盡管電路設(shè)計比較直接的結(jié)果是從信號完整性上體現(xiàn) 出來的，但我們絕不能因此忽略了電源完整性的設(shè)計。因為電源完整性直接影響 最終p c b 板的信號完整性。電源完整性和信號完整性二者是密切關(guān)聯(lián)的，而且在 很多情況下，影響信號畸變的主要原因是電源系統(tǒng)的設(shè)計不當(dāng)。因此，高速系統(tǒng) 的電源完整性設(shè)計成為保持高速電子線路信號完整性的關(guān)鍵所在。 2 1 信號完整性和電源完整性 信號完整性定義為信號在電路中能以正確時序和電壓做出響應(yīng)的能力，即指 在信號線上的信號質(zhì)量。信號具有良好的信號完整性是指電路中信號達到的電壓 電平數(shù)值和波形形狀。信號完整性問題一般不是由某單一因素引起的，而是在板 級設(shè)計中多種因素共同引起的。信號完整性問題主要表現(xiàn)為幾個方面：延遲、反 射、串?dāng)_、振蕩、地彈和電磁兼容性( e m i ) 。 相對于信號完整性，電源完整性是一個較新的研究領(lǐng)域，它被認為是高速高 密度p c b 設(shè)計目前最大的挑戰(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，會嚴 重影響系統(tǒng)的正常工作。 在研究信號完整性和電源完整性時，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的回波， 信號功率( 電壓和電流) 一部分傳輸 到線上并達到負載處，而另一部分被 反射回源端。源端與負載端阻抗不匹配會引起線上反射，負載將一部分電壓反射 回源端。如果負載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負，反之，如果負載阻抗大于源 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 ) 過沖指信號跳變的第一個峰值或 谷值超過規(guī)定的電壓值，對于上升沿是 指最高電壓而對于下降沿是指最低電 壓。下沖指下一個谷值或峰值。信號的 過沖和下沖是由集成電路切換速度過 高以及信號傳輸路徑反射引起的。過分的過沖能夠引起保護二極管工作，導(dǎo)致電 路器件過早地失效。過分的下沖能夠引起假的時鐘或數(shù)據(jù)錯誤( 誤操作) 。 ( 3 ) 信號的振蕩( 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)為信號反復(fù)出現(xiàn)過沖和下沖，在邏輯電平的門限上下抖動。 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( 如時鐘信號) 包含豐富的高次諧波而容易發(fā)生信號完整性故 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 ) 信號延遲 信號延遲表明數(shù)據(jù)或時鐘信號沒有在規(guī)定的時間內(nèi)以一定的持續(xù)時間和幅 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 度到達終端。由于集成電路是按規(guī)定的時序接收數(shù)據(jù)，過長的信號延遲可能導(dǎo)致 時序違背和功能混亂。信號延遲是由驅(qū)動過載、走線過長的傳輸線效應(yīng)引起的。 傳輸線上等效電容、電感會對信號的切換產(chǎn)生延遲，影響集成電路的建立時間和 保持時間，延遲足夠長會導(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在電源與接地平面間產(chǎn)生大量噪聲 的現(xiàn)象( 簡稱為地彈) 。同步切換噪聲是指大量芯片同步切換時，會產(chǎn)生一個較 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，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)計中，由于襯底具有定的電阻率，電流通過時會產(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 的壓降可能會超過m o s f e t 管的閾值電壓，而且可能會超過邏輯門或時鐘電路的 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線之間電磁耦合導(dǎo)致的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，信 號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，并且隨著時鐘速率的升高和設(shè)計尺寸的縮小而加大。 ( 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)電體把一個電網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)上的信號耦合( 干擾) 到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信 號耦合( 干擾) 到另一個電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在高速p c b 及系統(tǒng)設(shè)計中，高頻信號線、 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)計不當(dāng)引起信號畸變主要表現(xiàn)在：地反彈噪聲 太大、旁路電容的設(shè)計不合適、回路影響很嚴重、多電源地層設(shè)計不合理、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時會引起地彈，如大量芯片的輸出同時開啟時，會 產(chǎn)生一個較大的瞬態(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 的電感和電阻會引發(fā)電源噪聲，在地平面( o v ) 上產(chǎn)生電壓的波動和變化，這個 噪聲會影響其他元器件的動作。負載電容的增大、負載電阻的減小、地電感的增 大、同時開關(guān)器件數(shù)目的增加均會導(dǎo)致地彈的增大。 同步切換噪聲給信號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，會造成定的電壓波動，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)動端( 圖2 一l a ) ，發(fā)送低電平時會出現(xiàn)相應(yīng)的 噪聲電壓，當(dāng)信號相位和地面噪聲相通，同時導(dǎo)致信號的下降變緩；在接收端( 圖 2 - - l b ) ，信號的波形同樣會受到地噪聲的干擾，不過這時的干擾波形和地噪聲相 位相反；另外，在一些存儲性器件里，有可能因為本身電源和地噪聲的影響造成 數(shù)據(jù)意外翻轉(zhuǎn)( 圖2 一l c ) 。 低電平信號下降沿變緩 華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 令，、。 、 j 曠 q i ( c ) 圖2 1 ( a ) 地彈噪聲對驅(qū)動端信號的影響( b ) 地彈噪聲對接受端信號的影響 ( 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，同時對電源的平穩(wěn)性也有一定的要求。電源電壓之所以波動，就是 因為實際的電源平面總是存在著阻抗，這樣，在瞬間電流通過的時候，就會產(chǎn)生 一定的電壓降和電壓擺動。為了保證每個器件始終都能得到正常的電源供應(yīng)，就 需要對電源分配系統(tǒng)的阻抗進行控制，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)計的重點也就是在如何合理 的選擇這些電容。 旁路電容的作用：當(dāng)一個輸出狀態(tài)發(fā)生變化時( 例如，驅(qū)動和輸出引腳從邏 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 提供能量的存儲來滿足這種電流的瞬態(tài)反應(yīng)。 【a 】( b ) 圖2 - 3 實際電容的寄生情況 ( a ) 有寄生電阻的實際電容模型( b ) 忽略寄生電阻的實際電容模型 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，電容 值越大，回路中的阻抗就越小，這樣交流信號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，事實上并非如此，因為實際電容 并不具有理想電容的所有特性。實際電容存在寄生成分，這是構(gòu)造電容器極板和 引線時所形成的，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 ) 。這樣電容實際上就是一個串聯(lián)諧振電路。 在實際的電路或者p c b 設(shè)計中，電容寄生電感的存在將對電容的濾波性能帶來很 大的影響，因此在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該選擇寄生電感比較小的電容。 圖2 4 簡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電 源完整性的影響。 嬲) 電寤群啤 勢少” 。，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，從噪聲源傳輸?shù)截撦d的噪聲功率 p 1 和接入濾波器后，噪聲源傳輸?shù)截撦d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，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)截撦d的噪聲減少，電容濾除 高頻噪聲的能力增強。由分布參數(shù)理想電容的公式，當(dāng)電容一定時，信號頻率越 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，從噪聲源傳輸?shù)截撦d的噪聲功率p 1 和接入濾波器后，噪聲 源傳輸?shù)截撦d的噪聲功率p 2 之比，用d b 表示。 由圖2 - 4 ( b ) ，實際電容在工作時由于存在寄生電感的緣故，使得電容回路成 為一個串聯(lián)諧振回路。兀= ：_ 二；一式中：l 為等效電感：c 為實際電容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，呈現(xiàn)為電容；頻率五大于而時， 呈現(xiàn)為電感。所以，電容器更像是一個帶阻濾波器，而不是一個低通濾波器。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 于高頻的抑制能力并不會因為更換大容量的同類型電容而增強。更大容量的同類 型電容器的阻抗在頻率低于如時，比小容量電容器的阻抗小，但是，當(dāng)頻率大于 如時，e s l 決定了二者的阻抗沒有差別。為了改進高頻濾波特性，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，而對于一個系 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) ，或可以看成是一個諧振腔( 電場分析) ，在一定頻率范圍會 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p c b 時，要盡量讓信號遠離鋪銅區(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，會引起邏輯電路的開關(guān)狀態(tài) 錯誤，如得不到有效及時的控制，信號完整性問題將對高速電路和系統(tǒng)產(chǎn)生顯著 的影響。同步切換噪聲還會引起信號時序和質(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 負載電容。 當(dāng)輸入端由于低電平到高電平轉(zhuǎn)換時，p 管由飽和區(qū)經(jīng)線性區(qū)進入截止區(qū)， 而n 管則由截止區(qū)經(jīng)線性區(qū)進入飽和區(qū)。在這個過程當(dāng)中會出現(xiàn)兩個管子同時導(dǎo) 通的情況，這時會產(chǎn)生很大的尖峰電流，它會產(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，而負載電容c 。要 對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，在這個轉(zhuǎn)換過程中躁聲主要由電感l(wèi) 。 引起，所以這時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)時間t r 之外，這時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)。 這時通過n 管的電流為： 小等( 吲2 其中為驅(qū)動器管的跨導(dǎo)參數(shù)，肛。f 舊 其中： 是驅(qū)動器管的內(nèi)部電容，與w l ( n m o s 的寬長比) 有關(guān) 電壓。對上述模型來說，= 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)這時有n 個同步開關(guān)同時開關(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 ( 2 - 5 ) 因為噪聲是在電路上有電流時才產(chǎn)生的，當(dāng)v 。小于閾值電壓時，電路上無 電流，也就無噪聲電壓。同時可以近似認為噪聲電壓、r n 在t r ( v 。等于閾值電壓 v t 時) 和開關(guān)時間上是線性變化的且在t r 時達到最大值。 v 。隨時間的變化關(guān)系為： 14 華東師范丈學(xué)碩士學(xué)位論文 ( f ) ：