畢業(yè)設(shè)計（論文）低電壓差分信號 (LVDS)

1、黑龍江東方學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）摘要低電壓差分信號 (lvds)高速1/0接口單元當前cmos電路設(shè)計中的重要研究。它在減小cmos芯片內(nèi)外速度差異、實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸方面具有獨特的優(yōu)勢和作用。本文重點研l(wèi)vds高速1/0接口單元的設(shè)計技術(shù)，完成一種基于中芯國際0.13umcmos工藝的 622mbpslvds驅(qū)動器的設(shè)計。論文首先介紹了lvds接口的基本原理和電特性，通過與其他接口技術(shù)進行對比，分析了lvds接口在高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用方面的優(yōu)勢，結(jié)合實例給出了lvds接口電路的設(shè)計原則。論文著重分析了幾種 lvdsuo接口單元的基本電路結(jié)構(gòu)及其工作原理，給出了用hspice工具進行模擬驗證的結(jié)

2、果。基于中芯國際0.13umcmos工藝，完成了中芯國際lvds系列產(chǎn)品中 622mbpslvds驅(qū)動器的設(shè)計，實現(xiàn)了從電路設(shè)計、仿真、版圖、后仿真優(yōu)化、一直到最后的流片等整套lvds產(chǎn)品的開發(fā)過程。設(shè)計過程參照國際通用標準，保證了產(chǎn)品的通用性。關(guān)鍵詞:低電壓差分信號 (lvds)；接口;電流鏡；差分放大器;帶隙基準。iabstractlow voltage differential signaling(lvds)，a high speedl/0interface，1s one important research problem of reeent cmos cireuit design.i

3、t hasi nimitable superiority and funetion on a chieving high speed datatransfer.in this paper，researeh on design teehnology of lvds shigh speed l/0 interfaee 1s diseussed:it also ceontains a 622mbps lvds transmitter design nwhieh 1s based on smic 0.13um cmos arts. in this paper，we first introduce th

4、e basic prinei ple and eleetrieal specification of lvds inierfaee; by eomparing with other interface teehnology，analyzethes一the speriority of lvds on high speed datatransfer.in the article we also analyze some examples oflvdsi/0interface cireuit sandworking prineipleindetail，and give out the simulat

5、ion results as well as verifieation using hspice simulationtool.aceomplish a 622mbps lvds transmitter design，one of products of smic lvds series，based on smic0.13um cmos arts.aetualize a total process of lvds produet development from circuits design，pre一layoutsimulation，layoutdesign，post一layout simu

6、lation and optimize till to the final tapeout.the entire design flow refers to international general criterion which ensures the general acceptance and use.keywords:lowvoltage differential signaling(lvds)inierfaee current mirror differential amplifier bandgapii目錄摘要iabstractii第一章緒論11.1 lvds的概念11.2lvd

7、s技術(shù)的特點21.3lvds的發(fā)展及現(xiàn)狀21.4 lvds的典型結(jié)構(gòu)3第二章高速信號傳輸理論與實現(xiàn)52.1信號完整性52.2 高頻傳輸線上的損耗52.3高速背板鏈接器62.3.1互感62.3.2串聯(lián)電感72.3.3寄生電容72.34高速連接器8第三章仿真軟件93.1引言93.2微波網(wǎng)絡(luò)參量103.4hfss軟件的應(yīng)用過程12第四章lvds參數(shù)設(shè)計與仿真134.1關(guān)于lvds跡線端口尺寸的設(shè)置134.2 hfss軟件仿真過程以及結(jié)果的分析和處理154.2.3創(chuàng)建差分對s參數(shù)繪圖264.2.4場覆蓋圖284.3 優(yōu)化設(shè)計參數(shù)掃描31參考文獻36致謝37第一章緒論1.1 lvds的概念低電壓擺幅的差

8、分信號 (lowvoltagedifferentialsignaling，簡稱lvns)又稱rs一644總線接口，是20世紀90年代才出現(xiàn)的一種數(shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)。它使得數(shù)據(jù)能在差分傳輸線對或平衡電纜上以幾百兆比特/秒的速率傳輸。lvds是用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌跇藴?。該技術(shù)的核心是采用極低的電壓擺幅高速差動傳輸數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)點對點或一點對多點的連接，其傳輸介質(zhì)可以是銅質(zhì)的pcb連線，也可以是平衡電纜。lvds對信號完整性、低抖動及共模特性要求較高的系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，流行的lvds技術(shù)規(guī)范有兩個標準:一個是tia/eia(電訊工業(yè)聯(lián)盟/電子工業(yè)聯(lián)盟)的ansi/ti刀eia

9、一644標準，另一個是 ieee1596.3標準。在ancl/tia尼 ia2644標準中就建議了 655mbps的最大速率和 1.923gbps的無失真媒質(zhì)上的理論極限速率。圖1.1為lvds的原理簡圖，其驅(qū)動器由一個恒流源(通常為3.sma)驅(qū)動一對差分信號線組成。在接收端有一個高的直流輸入阻抗(幾乎不會消耗電流)，所以幾乎全部的驅(qū)動電流將流經(jīng)100q的終端電阻在接收器輸入端產(chǎn)生約35omv的電壓。當驅(qū)動狀態(tài)反轉(zhuǎn)時，流經(jīng)電阻的電流方向改變，于是在接收端產(chǎn)生一個有效的”o“或“1“邏輯狀態(tài)。 1.2 lvds技術(shù)的特點lvds技術(shù)之所以能夠解決目前物理層接口的瓶頸，正是由于其在速度、聲/em

10、l、功耗、成木等方面的優(yōu)點。高速傳輸能力:lvds技術(shù)的恒流源模式低擺幅輸出意味著lvds能高速動，例如:對于點到點的連接，傳輸速率可達800m帥s;對于多點互連fr4背板十塊卡作為負載插入總線，傳輸速率可達40ombps。低噪聲/低電磁干擾:lvds信號是低擺幅的差分信號。眾所周知，差分數(shù)傳輸方式比單線數(shù)據(jù)傳輸對共模輸入噪聲有更強的低抗能力，在兩條差分信號上電流以方向及電壓振幅相反，噪聲以共模方式同時禍合到兩條線上。而接收只關(guān)心兩信號的差值，于是噪聲被抵消。由于兩條信號線周圍的電磁場也相互抵消，故比單線信號傳輸電磁輻射小得多。而且，恒流源驅(qū)動模式不易產(chǎn)生振鈴切換尖鋒信號，進一步降低了噪聲。低

11、功耗:lvds器件是用cmos工藝實現(xiàn)的，這就提供了低的靜態(tài)功耗;載(100q終端電阻)的功耗僅為1.zmw;恒流源模式驅(qū)動設(shè)計降低系統(tǒng)功耗并極大j一也降低了kc的頻率成分對功耗的影響。與其相比，ttl/cmos收發(fā)器動態(tài)功耗相對頻率呈指數(shù)上升。1.3 lvds的發(fā)展及現(xiàn)狀1995年11月，以美國國家半導(dǎo)體公司為主推出了ansftiajeia一644標準1996年3月，ieee公布了ieee1596.3標準。這兩個標準注重于對lvds接口的特性、互連與線路端接等方面的規(guī)范，對于生產(chǎn)工藝、傳輸介質(zhì)和供電電壓等沒有明確。lvds可采用cmos、gaas或其他技術(shù)實現(xiàn)，其供電電壓可以從+5到+3.3

12、v，甚至更低;其傳輸介質(zhì)可以是pcb連線，也可以是特制的電纜。推薦的最高數(shù)據(jù)傳輸速率是655mbps，而理論上，在一個無衰耗的傳輸線上，lvds的最高傳輸速率可達1.923gbps。近年來，現(xiàn)代高性能微處理器的速度已經(jīng)突破了ighz，芯片間的傳輸速率也達到兒百兆赫茲，在cmos電路系統(tǒng)中進行600mbps以上的信號傳輸已經(jīng)不可避免。在眾多用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌陔娖叫问街?，只有l(wèi)vds能夠?qū)崿F(xiàn)高速度、低功耗、低噪聲以及低成本的結(jié)合而無需折衷。因此，國際上對lvds及其相關(guān)產(chǎn)品的研究開發(fā)十分活躍，各大公司均推出了lvds信號的asicfo接口單元產(chǎn)品系列，如國家半導(dǎo)體公司的ds90、ds92系列速

13、度達到600mbps，德州儀器公司的sn65lvds和sn75lvds系列速度達到400mbps600mbps. faraday公司的ijvdst80hgoa和fxlvix08ollaoa系列速度達到600mbps左右，富士通公司的ce61、ce71系列的速度也達到了300mhz400mhz。這些產(chǎn)品在高性能計算機、電訊、通訊、顯示及消費電子等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。lvds高速/o接口單元是高性能計算機和通訊電子設(shè)備中重要的構(gòu)件，直接影響到系統(tǒng)性能。但是，國外把這些研究成果都作為核心機密。為了掌握高性能計算機中的這項重要技術(shù)，我們必須研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 lvds1/0接口單元。lvds高

14、速fo接口單元包括lvds驅(qū)動器、lvds接收器和lvds偏置單元。1.4 lvds的典型結(jié)構(gòu)目前l(fā)vds產(chǎn)品主要有美國國家半導(dǎo)體公司全系列的lvds產(chǎn)品和德州儀器半導(dǎo)體司的lvds產(chǎn)品系列。美國國家半導(dǎo)體公司這方面更具優(yōu)勢，其產(chǎn)品主要有四種典型結(jié)構(gòu)，是目前數(shù)據(jù)傳輸和交換常用的四種方式。lvds技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也日漸普遍。在高速系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)背板互連和電纜傳輸應(yīng)用中，驅(qū)動器、接收器、收發(fā)器、并串轉(zhuǎn)換器/串并轉(zhuǎn)換器以及其他lvds器件的應(yīng)用正日益廣泛。接口芯片供應(yīng)商正推進lvds作為下一代基礎(chǔ)設(shè)施的基本構(gòu)造模塊，以支持手機基站、中心局交換設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)主機和計算機、工作站之間的互連。其典型結(jié)構(gòu):(l

15、)點到點結(jié)構(gòu)?；镜陌l(fā)射和接收結(jié)構(gòu)，用于兩點間固定方向信號傳輸；(2)點到多點結(jié)構(gòu)。廣播式總線結(jié)構(gòu)連接多個接收端到一個發(fā)送端，常用于數(shù)據(jù)分配；（3）多點到多點結(jié)構(gòu)。多點互連總線使點到點之問互連降到最少，同時一提供雙向，半雙工通訊能力，在同一時間，只能有一個發(fā)送器工作；（4）矩陣開關(guān)結(jié)構(gòu)。通常應(yīng)用于需要非常高的信號交換通路的系統(tǒng)中，實現(xiàn)全雙工通信。對應(yīng)點到點或點到多點結(jié)構(gòu)，有l(wèi)vds線路驅(qū)動/接收器和lvds串行/解串器(channellink)系列產(chǎn)品。對于多通道、寬帶、大動態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸，lvds串行/解串器將是很好的解決方案。雷達系統(tǒng)中，分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，分系統(tǒng)內(nèi)通過背板的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用l

16、vds串行/解串器將大大減少電纜、接插件以及pcb背板的復(fù)雜度。這種產(chǎn)品在雷達系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。對應(yīng)點對多點或多點到多點結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，buslvds技術(shù)能最好地適應(yīng)這些應(yīng)用。buslvds、mlvds線路驅(qū)動/接收器系列的擴展，為多點應(yīng)用場合而設(shè)計，這時總線兩端都終接電阻。buslvds驅(qū)動器提供約10ma的輸出電流，因而能被用于重負載的背板上，那里的等效阻抗低于100q，這里驅(qū)動器會有30一50。范圍的負載。在一些大的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，要構(gòu)造大的高速背板，lvds技術(shù)是最理想的解決方案。 第二章高速信號傳輸理論與實現(xiàn)2.1 信號完整性對大多數(shù)電子產(chǎn)品而言，當時鐘頻率超過loomhz或上升邊

17、小于nis時，信號完整性效應(yīng)就變得重要了，通常將這種情況成為高頻領(lǐng)域或高速領(lǐng)域。這些術(shù)語意味著在那些互連線對信號不再透明的產(chǎn)品或系統(tǒng)中，如果不小心就會出現(xiàn)一種或多種信號完整性問題。從廣義上講，信號完整性指的是在高速產(chǎn)品中由互連線引起的所有問題。它主要研究互連線與數(shù)字信號的電壓電流波形相互作用時其電氣特性參數(shù)如何影響產(chǎn)品的性能。許多信號完整性的噪聲問題，比如振鈴、反射、近端串擾、開關(guān)噪聲、非單調(diào)性、地彈、電源反彈、衰減、容性負載等。這些都是互連線的電氣特性對數(shù)字信號波形所造成的不同影響。所有與信號完整性噪聲問題有關(guān)的效應(yīng)都與如圖2.2.1所示四類特定噪聲源中的一個有關(guān)。一旦知道噪聲的來源，那么找

18、出和解決這種問題的一般方案就很清楚了。2.2 高頻傳輸線上的損耗如果損耗與頻率之間沒有關(guān)系，低頻元件和高頻元件的衰減肯定是一樣的，整個信號波形會按照一致的幅度下降，上升時間停留在以前的水平161。此種情況下，衰減的影響可以在接收器端得到補償，上升時間、抖動等不會受到衰減的影響而停留在原先狀態(tài)。但在一個真實有損傳輸線上傳播的信號，高頻元件的信號幅度衰減了，而低頻元件幾乎沒有變。由于局部的衰減信號帶寬降低了，隨之信號上升時間得到增加。這說明導(dǎo)致上升時間衰減的損耗是頻率相關(guān)的。頻率相關(guān)損耗和上升時間衰減的重要影響就是碼間干擾:位組合的精確波形依賴于經(jīng)過的前一比特流。這嚴重影響了在接收端區(qū)別高電平和低

19、電平的能力，提高了誤碼率。當信號在傳輸線上傳播時，有五種途徑引起能量損耗:輻射損耗、相鄰導(dǎo)線禍合、阻抗失配、導(dǎo)線損耗和介質(zhì)損耗。輻射損耗對于emi是重要的，但是與其它損耗相比輻射損耗丟失的能量很小，在有損傳輸線中幾乎沒有影響。2.3 高速背板鏈接器隨著鍍通孔、疊層、器件和連接器性能的提高，銅背板和連接器技術(shù)使得數(shù)據(jù)傳輸速率達到千兆位。而連接器仍然是影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵因素，除了必須與己給定芯片兼容外，還影響到印制板布局和機架設(shè)計方面的封裝。連接器的尺寸、面積、引腳密度和布線能力常常會帶來負面的影響。連接器是用來連接子板和母板、傳輸線和背板的器件，由底座、端子、插針等組成。在設(shè)計高速系統(tǒng)中，首要目

20、標是在信號傳輸路徑上阻抗匹配所有組件，最小化信號反射。當阻抗失配時，數(shù)字比特流以兩倍于傳輸線長度的傳輸損耗被反射到源端。反射能量在源端和失配端反彈，直至被材料損耗盡。反射波導(dǎo)致更高階頻率衰減、碼間干擾和眼圖閉合。一個從子板出發(fā)的高速發(fā)射信號經(jīng)過母板傳輸線到達接收器后，介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗都限制了信號完整。而起互連作用的連接器，如果阻抗匹配不好還將增強信號的反射。另外，高速連接器引腳之間的互感、寄生電容以及接觸部分的插入損耗，都加重了對信號傳輸質(zhì)量的影響。2.3.1 互感連接器中的兩個信號引腳電流可能通過同一個地引腳返回，使得兩個返回路徑重疊而產(chǎn)生感應(yīng)噪聲，這就是連接器兩個引腳的互感。產(chǎn)生互感噪聲

21、不需要回流路徑完全重疊，任何兩個相鄰電流環(huán)都可以相互影響對方。互感是導(dǎo)致串擾的直接原因。為減小引腳間的互感，可以通過接地改變返回電流路徑?；ジ械淖兓途嚯x的對數(shù)成正比，因此信號與地引腳的距離越小，回流重疊的部分就越小，導(dǎo)致互感的減小。另外可以額外的增加地引腳，且是在信號引腳之間增加，會明顯的減小互感，在連接器邊沿增加額外的地線作用微乎其微。藕合到連接器的任意線路噪聲都來自于其它線路，因此可以減少連接器信號引腳個數(shù)就能減少總的串擾。2.3.2 串聯(lián)電感emi是由大環(huán)路中的信號電流引起的，高頻電流流經(jīng)大的環(huán)路時候會輻射出大量電磁能量。emi設(shè)計的主要工作就是使信號流經(jīng)路徑的橫截面積達到最小。兩個板

22、卡通過一個連接器連接，大部分信號的返回電流從連接器b的接地引腳流過。如果這兩個板卡上的源端和接收端還存在其它路徑，一部分返回信號電流會通過這些路徑返回。正是這部分電流形成串聯(lián)電感，引起大量的emi問題。信號返回電流所經(jīng)過的路徑是否唯一，取決于連接器的物理結(jié)構(gòu)和兩個板卡所在機箱的結(jié)構(gòu)。返回某個板卡源端的電流只要不經(jīng)過該連接器，必定會有一個大的環(huán)路面積，導(dǎo)致大的emi問題?；诖朔N原因，在連接器的設(shè)計時就應(yīng)該消除emi問題?？梢栽谶B接器中多用一些接地引腳，使每一條信號線都靠近地，盡量減小連接器中有效輻射環(huán)路面積。還可以將同一母板上的連接器緊密放置，去除遠端返回電流的可能。另外，可以延長驅(qū)動電路的上

23、升沿時間，降低輻射。對于整個pcb設(shè)計而言，可以采用外部連接的方法降低連接在連接器上線纜輻射問題，常用的方法有濾波和屏蔽。如果容許減緩上升時間，就能夠?qū)λ休敵鰯?shù)字信號進行濾波。屏蔽通過在內(nèi)部導(dǎo)線周圍提供連續(xù)的金屬防護，使返回信號電流均勻分布在輸出信號線路周圍，信號和地之間的有效輻射電流環(huán)路面積就非常小。2.3.3 寄生電容總線上的每個分支都會影響傳輸信號的真實程度，隨著經(jīng)過分支的增加，多個連接器寄生電容的積累帶來信號畸變。這種畸變與源端連接器串聯(lián)電感的影響相比較更加嚴重。因此，在多支路應(yīng)用中，需要寄生電容非常低的連接器。對于單個分支來講，集總電容共有3個組成部分:一是連接器引腳間電容及其在p

24、cb上的焊盤電容;二是連接器到源端和接收端的走線電容;三是接收器和驅(qū)動器電容。將此三類電容控制到最小可以有效降低每個分支電容。另外，分支負載的放置對集總電容也是有影響的。與電容集中的一點相比，間隔均勻的放置總線分支點，可以減小總線阻抗，降低干擾對信號傳播的影響。2.34 高速連接器在一個高速背板互連系統(tǒng)中，連接器在數(shù)據(jù)傳輸速度限制上起著重要的作用。在傳統(tǒng)背板系統(tǒng)中，連接器常常是不同子系統(tǒng)之間串擾的最大來源。另外，連接器的插入損耗對信號的衰減也起了很大作用。因此，對于10gb/s的高速數(shù)字系統(tǒng)，連接器串擾必須做到盡可能小，要避免一條信號線對另一條線中的信號干擾引起畸變。連接器的引腳密度越大，每層

25、上排列的不同信號數(shù)量就越多，因此，這樣會有效地減少信號層的數(shù)量，從而減小電路板的總厚度。molex的絕緣置換技術(shù)是一個電線終端技術(shù)，絕緣電線被壓成比導(dǎo)線直徑小的接線槽，在終端和導(dǎo)線之間形成一個電氣插頭。為滿足高速互連的需要，有一些特殊連接器專門應(yīng)用于高速點到點連接。這些連接器內(nèi)置了接地裝置，用于提供低阻抗信號返回路徑，以減小信號引腳間的串擾，另外還可以增加引腳對地的寄生電容，抵消引腳的串聯(lián)電感，保證信號完整性。 第三章仿真軟件3.1 引言經(jīng)過二十多年的發(fā)展，hfss以其無以倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計的首選工具和行

26、業(yè)標準，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計算機、通信等多個領(lǐng)域，幫助工程師們高效地設(shè)計各種高頻結(jié)構(gòu)，包括：射頻和微波部件、天線和天線陣及天線罩，高速互連結(jié)構(gòu)、電真空器件，研究目標特性和系統(tǒng)/部件的電磁兼容/電磁干擾特性，從而降低設(shè)計成本，減少設(shè)計周期，增強競爭力。 hfss能夠快速精確地計算各種射頻/微波部件的電磁特性，得到s參數(shù)、傳播特性、高功率擊穿特性，優(yōu)化部件的性能指標，并進行榮差分析，幫助工程師們快速完成設(shè)計并把握各類器件的電磁特性，包括：波導(dǎo)器件、濾波器、轉(zhuǎn)換器、耦合器、功率分配/和成器，鐵氧體環(huán)行器和隔離器、腔體等。電真空器件設(shè)計 在電真空器件如行波管、速調(diào)管、回旋管設(shè)計

27、中，hfss本征模式求解器結(jié)合周期性邊界條件，能夠準確地方針器件的色散特性，得到歸一化相速與頻率關(guān)系，以及結(jié)構(gòu)中的電磁場分布，包括h場和e場，為這類器件的設(shè)計提供了強有力的設(shè)計手段。天線、天線罩及天線陣設(shè)計仿真hfss可為天線及其系統(tǒng)設(shè)計提供全面的仿真功能，精確方針計算天線的各種性能，包括二維、三維遠場/近場輻射方向圖、天線增益、軸比、半功率波瓣寬度、內(nèi)部電磁場分布、天線阻抗、電壓駐波比、s參數(shù)等。 目標特性研究和rcs仿真 、高速互連結(jié)構(gòu)設(shè)計 。 隨著頻率的不斷提高和信息傳輸速度的不斷提高，互連結(jié)構(gòu)的寄生效應(yīng)對整個系統(tǒng)的性能影響已經(jīng)成為制約設(shè)計成功的關(guān)鍵因素。mmic、rfic、或高速數(shù)字系

28、統(tǒng)需要精確的互聯(lián)結(jié)構(gòu)特性分析參數(shù)抽取、hfss能夠自動和精確地提取高速互聯(lián)結(jié)構(gòu)、片上無源不見及版圖寄生效應(yīng)。 光電器件仿真設(shè)計 hfss的應(yīng)用頻率能夠達到光波波段、精確仿真光電器件的特性。3.2 微波網(wǎng)絡(luò)參量(1)散射參數(shù)理論對高速互連進行全波電磁仿真分析之后，通常提取出互連結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)或等效電路模型，應(yīng)用微波網(wǎng)絡(luò)理論將電磁場分析轉(zhuǎn)化為電路分析，對其進行頻域和時域分析。表征網(wǎng)絡(luò)特性的參量可分為兩類:一類是反映網(wǎng)絡(luò)參考面上電壓和電流之間關(guān)系的參量，如阻抗參量z，導(dǎo)納參量y，轉(zhuǎn)移參量a，主要用于集總電路。另一類是反映網(wǎng)絡(luò)參考面上入射波電壓與反射波電壓之間關(guān)系的參量，如散射參量s，主要用于分布參數(shù)

29、電路。高速的微波領(lǐng)域，必須用分布參數(shù)模型來分析，因此s參數(shù)在微波網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛的應(yīng)用。在高速互連中，單根的傳輸線，可以等效為二端口網(wǎng)絡(luò)，二端口網(wǎng)絡(luò)s參數(shù)的定義可由歸一化反射波今(i=1，2)與歸一化入射波a，(i=1，2)之間的關(guān)系式給出如3.1所示 圖3.1式中，s參數(shù)矩陣的對角線元素s，l、&2為反射參數(shù)(相對應(yīng)的其它端口匹配時)也就是回波損耗。52，、512表示從一端口到另一端口的傳輸系數(shù)，相對于插損和群延時。如果微波網(wǎng)絡(luò)為互易網(wǎng)絡(luò)，s參數(shù)有以下特性:sij=sji如果微波網(wǎng)絡(luò)是對稱網(wǎng)絡(luò)各端口的反射系數(shù)必須相等，即:sii=sjj由此可見，用散射參量來表示網(wǎng)絡(luò)的電壓反射系數(shù)和傳輸系數(shù)是非

30、常方便的。(2)混合模s參數(shù)理論在高速系統(tǒng)中普遍采用的低壓差分信號線對(lowvoltagediffereniialsignal，lvds)作為高速數(shù)據(jù)傳輸線，因而對差分電路性能的精確測量分析成為重要的問題。差分對傳輸線也可以利用單端模式下s參數(shù)來描述。但差分電路有其特殊性，它除了包含差模共模外還有差共模的轉(zhuǎn)換響應(yīng)，這里引入基于差/共模兩種工作模式傳播特性的混合模。(mixedmode)s參數(shù)。在高速互連設(shè)計中差分互連線可等效為混合模s參數(shù)二端口網(wǎng)絡(luò)。 3.3 hfss軟件簡介 ansofthfss是世界上第一個商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場仿真軟件，可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場，可直接得到

31、特征阻抗、傳播常數(shù)、s參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結(jié)果。該軟件廣泛應(yīng)用于無線和有線通信、計算機、衛(wèi)星、雷達、半導(dǎo)體和微波集成電路、航空航天等領(lǐng)域，以幫助客戶設(shè)計世界一流的產(chǎn)品 ansoft重新定義高頻及高速數(shù)位設(shè)計標準!基于三維電磁場的自動化設(shè)計流程進一步縮短高頻設(shè)計的周期,hfss基于三維電磁場設(shè)計和分析的電子設(shè)計工業(yè)標準。 全世界成千上萬的工程師利用hfss設(shè)計最先進的電子設(shè)備，例如射頻(rf)和微波部件、天線和天線陣列、高速積體電路(ics)、值得欣慰的是hfss軟件在提高設(shè)計性能和減少制造成本的同時，還大大縮短了研制時間。 (1)概述在hfss的桌面上，你能找到hfss的全套功能

32、，這是一個可以完全支持基于三維電磁場設(shè)計的界面。除了直觀的視窗特性外，圖形項目樹提供了廣為熟知的hfss設(shè)計流程的傳統(tǒng)風(fēng)格。利用ansoftlinks接口設(shè)計師可將hfss和現(xiàn)有的eda和mcad設(shè)計流結(jié)合起來。利用與cadence、mentorgraphics，synopsys以及zuken的接口，還可鏈接到外部的設(shè)計流，從而支持hspice、pspice及maxwellspice實現(xiàn)精確的寬帶電路仿真。全叁數(shù)化的電路模型還可支持在ansoftdisigner和其它電路與系統(tǒng)設(shè)計工具中進行精確的高頻電路設(shè)計。 (2)自動化 hfss能進行全面的全叁數(shù)化設(shè)計，從幾何結(jié)構(gòu)、材料特性到分析、控制及

33、所有后處理。該軟體強大的叁數(shù)化三維建模能力，和高性能的圖形能力，大大節(jié)省了工程師的設(shè)計時間。直觀的分析設(shè)置和高級的分析控制確保在全自動化方式下獲得設(shè)計師所希望的設(shè)計結(jié)果。利用optimetrics可自動實現(xiàn)最優(yōu)化和叁數(shù)化掃瞄設(shè)計，且很容易在桌面上同一項目樹中直接訪問進入。在優(yōu)化設(shè)計分析技術(shù)中增強了敏感性分析和統(tǒng)計分析功能，其利用hfss叁數(shù)化分析能力自動設(shè)計分析制造公差帶來的性能變化。用戶化 . hfss有多個機制允許工程師們根據(jù)自己的需要去制作用戶特定的設(shè)計流程。視 窗、對話方塊、工具欄、甚至菜單均可被用戶通過配量缺省來支持個性化叁數(shù)定義。3.4 hfss軟件的應(yīng)用過程 以下ansoft h

34、fss 設(shè)計環(huán)境。一）三維模型原始幾何體：長方體，矩形 布爾函數(shù)操作：沿線復(fù)制，沿著向量掃描 二）邊界激勵端口：波端口（wave ports），終端線（terminal lines） 三）分析 掃描：插值 四）結(jié)果 基于笛卡爾坐標和smith圓圖的圖形五）場覆蓋 三維場圖第四章lvds參數(shù)設(shè)計與仿真4.1 關(guān)于lvds跡線端口尺寸的設(shè)置 低電壓差分信號（lvds：lower voltage differential signaling）技術(shù)應(yīng)用在高性能的背板技術(shù)中，ldvs用于多點通信，采用類似系統(tǒng)總線的形式，如圖4.1所示。下圖詳細說明了你將要創(chuàng)建的無源器件。 圖4.1設(shè)計尺寸 導(dǎo)帶： 寬帶

35、=6mil 跨度=18mil 厚度=0.7mil 襯底： 厚度=26mil 介電常數(shù)er=4.4建立這個器件之前首先來構(gòu)想一下一下整個設(shè)計： （1）導(dǎo)帶寬度mils （2）導(dǎo)帶長度1000mils （3）介質(zhì)高度mils x 2 （4）銅導(dǎo)帶高度=0.7 mils （5）端口尺寸= 220mil一）端口寬度： 通過使用端口的選項，端口寬度至少是堆棧高度（stackup）的35倍，也就是達到(78-130mils)。由于跡線并非中心放置的，我們選擇5倍的量，并加上信號對的間隙（18mil），因此端口/模型總寬度為220mil。二）跡線長度： 因為我們要仿真的均勻傳輸線，所以不需要對1000mil

36、的長度進行全部仿真，而可以將模型縮減到100mil，并利用去嵌入技術(shù)（de-bedding）引入剩下的900mil長度。三）材料屬性： 首先，從工程角度上我們假定材料的屬性與頻率無關(guān)。然后我們假定跡線模型是理想導(dǎo)體（perfect conductors），不會影響器件的性能。這些將加快仿真的進程。作為額外的練習(xí)，模型可以改變成隨頻率變化的材料和有損耗的導(dǎo)體。四）地平面： 因為我們忽略了金屬的導(dǎo)電性，所以沒有必要建立地平面，我們可以采用理想導(dǎo)體（perfect conductors）作為地這一邊界如果我們需要研究導(dǎo)體銅的影響，我們可以定義有限電導(dǎo)體邊界(finite conductors bou

37、ndary)來仿真銅的地平面。五）求解設(shè)置：（1）單點（自適應(yīng)）頻率：8.0g 。由于我們要利用這個模型進行spice仿真，關(guān)注的頻率范。將由輸入信號的上升沿時間(tr)決定。最大的頻率可以通過0.5/tr就也是截止頻率（knee frequency）算出，把它乘以tr周期的采樣數(shù)確定。最低頻率越靠近直流信號越好。因此在求解設(shè)置中選用以下的數(shù)據(jù)： 上升沿時間（tr）：330ps 。采樣數(shù)：5 。上限頻率：(0.5/330ps)*5 7.58ghz 或者 8.0ghz。 下限頻率：0.01ghz 。步進頻率：0.01ghz 。自適應(yīng)迭代步數(shù)（adaptive passes）：10 s參數(shù)的迭代誤

38、差（delta s）：0.02 。掃描類型（sweep type）：插值。4.2 hfss軟件仿真過程以及結(jié)果的分析和處理一)點擊開始按鈕，選擇programs，再選擇ansoft, hfss 10項目組，點擊hfss 10，啟動hfss。二)設(shè)置工具選項： 1選擇菜單欄：工具選項 hfss 選項（tools options hfss options）。 2hfss選項（hfss options）窗口 1）點擊常用（general）(1)勾選上：創(chuàng)建新邊界條件時使用數(shù)據(jù)輸入向?qū)В╱se wizards for data entry when creating new boundaries）(2

39、)勾選上：邊界條件隨幾何體一起復(fù)制（duplicate boundaries with geometry） 2）點擊ok 3選擇菜單欄：工具選項 模型選項（tools options 3d modeler options） 4三維模型選項（3d modeler options）窗口 1）點擊操作（operation） 勾選上：自動覆蓋閉合曲線（automatically cover closed polylines）2）點擊畫圖（drawing） 勾選上：邊界新的簡單幾何體的屬性（edit property of new primitives） 3）點擊ok三）新建一個工程 1在ansoft

40、hfss 窗口，點擊標準工具欄中的新建工具或者選擇菜單文件 新建( file new)。2在工程(project)菜單下，選擇插入hfss設(shè)計（insert hfss design），如圖4.2所示。 圖4.2四）設(shè)置求解的類型 1選擇菜單hfss 求解類型（hfss solution type） 2求解類型窗口 1）選擇終端驅(qū)動（driven terminal） 2）點擊ok 建立三維模型 一）設(shè)置模型單位 1選擇菜單3d 模型單位（3d modeler units） 2設(shè)置模型單位 1）選擇單位：mil ，如圖4.3所示。2）點擊ok 圖4.3二）設(shè)置缺省材料 1）使用三維模型材料工具欄的

41、下拉菜單，選擇(choose)2選擇定義窗口（select definition） 1）在按名稱查找（search by name）中輸入pec ，如圖4.4所示2）點擊ok 圖4.4三）建立跡線1（trace 1） 1)選擇菜單畫圖 立方體（draw box） 2)在坐標的輸入框中輸入起始坐標： x: 0.0, y: 9.0, z: -0.35 ，點擊回車 3）在坐標的輸入框中輸入對角的端點： dx:100.0, dy:6.0,dz:0.7,點擊回車模型參數(shù)化1)在屬性（properties）窗口中選擇命令（command）2)在位置（position）中輸入0.0mil，s/2,-0.35

42、mil,點擊tab接受，輸入s變量的值：18mil，點擊ok。3)對y的尺寸，輸入w，點擊tab接受。輸入變量w的值：6mil，點擊ok.調(diào)整合適的視角1）在選擇菜單欄中查看全部適應(yīng)激活視角（viewfit allactive view）或者按ctrl+d四）建立跡線（trace 2）1.選擇菜單欄編輯 選擇全部可視（edit select all visible），或者按下ctrl+a 2選擇菜單欄編輯 復(fù)制 鏡像（edit duplicate mirror）. 1）輸入鏡像面的定位點 x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0,按下回車鍵 2）輸入鏡像面法線向量的目標點dx: 0.0,

43、dy: -1.0, dz: 0.0,按下回車鍵 定義名稱 1選擇菜單欄 列表（hfss list） 2從模型（model）標簽中，選擇名稱為trace1_1的物體 3點擊性質(zhì)（properties） 1）在名稱（name）中輸入:trace2 2）點擊ok 4點擊done 1.選擇菜單欄中查看 全部適應(yīng) 激活視角（view fit all active view） 或者按ctrl+d 選擇菜單欄編輯 選擇全部可視（edit select all visible），或者按下ctrl+a 2選擇菜單欄編輯 復(fù)制 鏡像（edit duplicate mirror）. 1）輸入鏡像面的定位點x: 0.

44、0, y: 0.0, z: 0.0,按下回車鍵 2）輸入鏡像面法線向量的目標點 dx: 0.0, dy: -1.0, dz: 0.0,按下回車鍵 定義名稱1選擇菜單欄 列表（hfss list） 2從模型（model）標簽中，選擇名稱為trace1的物體 3點擊性質(zhì)（properties） 1）在名稱（name）中輸入:trace2 2）點擊ok 4點擊done 1 選擇菜單欄中查看 全部適應(yīng) 激活視角（view fit all active view）或者按ctrl+d五）增加新材料1在三維模型材料的下拉工具欄中選擇（select）2在定義的窗口中，點擊增加新材料（add material）

45、3察看/編輯（view/edit）材料窗口，如圖4.5所示1）材料名稱：my_fr42）相對電介質(zhì)常數(shù)：4.43）點擊ok 圖4.5六）建立基板1選擇菜單欄畫圖立方體（draw box）2在坐標的輸入框中輸入起始坐標x:0.0,y:-100.0,z:-13.0點擊回車。3在坐標的輸入框中輸入對角點dx: 100.0, dy: 200.0, dz: 26.0, 回車。 定義名稱1在性質(zhì)（properties）窗口中選擇屬性（attribute）2輸入名稱基板（substrate）3點擊ok設(shè)置透明度1在性質(zhì)（properties）窗口中選擇屬性（attribute）2點擊透明度（transpar

46、ency）1）把條形棒移動到0.8處，點擊ok2）點擊ok調(diào)整合適的視角1.選擇菜單欄中查看 全部適應(yīng) 激活視角（view fit all active view）或者按ctrl+d。如圖4.6 圖4.6七）建立波端口（wave port）激勵1選擇菜單三維菜單網(wǎng)格平面yz平面（3d modeler grid plane yz）建立一個矩形來代表端口1.選擇菜單項畫圖矩形（drawrectangle）。在坐標的輸入框中輸入矩形起始坐標：x: 0.0, y: -100.0, z: -13.0,回車。在坐標的輸入框中輸入矩形對角坐標：dx: 0.0, dy: 200.0, dz: 26.0,回車。

47、定義名稱1在性質(zhì)（properties）窗口中選擇屬性（attribute）2輸入名稱potr13點擊ok選擇端口11在菜單中編輯選擇名字（edit select by name）2選擇物體對話框1）選擇物體名字：port1）； 2）點擊ok。設(shè)置波端口激勵 1選擇菜單hfss激勵分配波端口（hfss excitations assign wave port）。2波端口：常規(guī)（general）。 1）名稱：p1 2）點擊下一步next。 3波端口：終端線（terminals）。 1）端口的數(shù)量：2，點擊update 。2）對t1，在未定義（undefined）列中選擇新線（new line）。

48、 3）在坐標的輸入框中輸入向量起始坐標。 x: 0.0, y: 0.0, z: -13.0,回車 。4）在坐標的輸入框中輸入向量端點 。dx: 0.0, dy: 12.0, dz: 12.65,回車 。5）對t2，在undefined列選擇新線（new line）。 6）在坐標輸入框中輸入向量起始坐標 。x: 0.0, y: 0.0, z: -13.0，回車。7）在坐標的輸入框中輸入向量端點 。dx: 0.0, dy: -12.0, dz: 12.65，回車。8）點擊next 。4. 波端口：差分對1）點擊新對（new pair）。2）點擊next。5. 波端口：后處理（post proces

49、sing）。 6.點擊結(jié)束（finish）。 八）建立波端口激勵 21在菜單中編輯 選擇 名字（edit select by name）2選擇物體對話框1）選擇端口1名字：port12）點擊ok復(fù)制端口1選擇菜單編輯 復(fù)制 沿線（edit duplicate along line）2在坐標輸入框中輸入復(fù)制向量的第一個點坐標x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0,回車3在坐標輸入框中輸入復(fù)制向量的第二個點坐標dx: 100.0, dy: 0.0, dz: 0.0,回車4. 沿向量復(fù)制窗口1）數(shù)量：22）點擊 ok去嵌入技術(shù)（deembedding）設(shè)置1. 選擇菜單 hfss 列表（hfs

50、s list）2在激勵的菜單中，選擇 p2 激勵3點擊性質(zhì)（properties）1）勾選上嵌化（deembed）2）嵌入長度（deembed distance）：設(shè)置為-900mil（此值為正意味著嵌入到端 口內(nèi)）3）點擊 ok4點擊 done九）邊界顯示 1. 選擇菜單 hfss 顯示邊界（求解查看）（hfss boundary display (solver view）。2在邊界求解器查看窗口中，切換可視復(fù)選框可以選擇想要顯示的邊界。 3當你完成設(shè)置點擊 close。4.2.1 分析設(shè)置1. 選擇菜單 hfss 分析設(shè)置 增加求解設(shè)置（hfss analysis setup add so

51、lution setup）2解設(shè)置窗口1）點擊選取常用（general）（1）求解頻率：8.0g （2）最大迭代計算步數(shù)：20（3）s 參數(shù)最大迭代誤差：0.022）點擊選項（option）（1）勾上按波長加密（do lambda refinement）。（2）目標（target）：0.5（3）勾上利用低階求解基。二）增加頻率掃描1. 選擇菜單 hfss 分析設(shè)置 增加掃描（hfss analysis setup add sweep）1）選擇解設(shè)置：setup12）點擊2. 編輯掃描窗口1）掃描類型：插值（interpolating）2）點擊插值基選擇（setup interpolation

52、basis）（1）最大解數(shù)：（2）誤差忍受度：0.5%（3） 選擇用戶的所有輸入（user all entries）（4）點擊 ok3) 勾選外推到直流（extrapolate to dc）（1） 最小求解頻率：0.014）不勾選直流截斷為 0 或者 1（snap magnitude to 0 or 1 at dc）5）頻率求解類型：線形步進（linear step）（1） 截止頻率: 8ghz（2） 步進頻率：0.01ghz6) 點擊 ok4.2.2 保存工程1. 在 ansoft hfss 窗口中，選擇菜單文件保存（file save as）2. 在 save as 的窗口中，輸入文件名：

53、hfss_lvds_diffpair3. 點擊保存（save）七. 分析 一）模型確認1. 選擇菜單 hfss 模型檢查（hfss validation check）2點擊關(guān)閉（close）。二）分析 開始求解過程 1. 選擇菜單 hfss 分析（hfss analyze）三) 求解數(shù)據(jù)： 1. 選擇菜單 hfss 結(jié)果 結(jié)果數(shù)據(jù)（hfss results solution data）1) 查看輪廓 點擊輪廓（profile）2) 查看收斂 點擊收斂（convergence）3) 查看矩陣數(shù)據(jù) 點擊矩陣數(shù)據(jù)（matrix data），如圖4.72. 點擊 close 圖4.74.2.3 創(chuàng)建差分對s參數(shù)繪圖一）生成差分線1. 點擊 hfss 結(jié)果生成報告（hfss results create report）2. 生成報告窗口1)報告形式：終端s參數(shù)（terminal s parameters）。2）顯示形式：矩形（rectangular）3）點擊3. 跟蹤窗口1）解：setup1: sweep2）域：掃描（sweep）3）點擊 y 標簽(1)目錄：終端參數(shù)（terminal s parameters）數(shù)量st(p1:diff1,p1:diff1), st(p1: