高速數(shù)字電路中信號完整性研究和仿真

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1、高速數(shù)字電路中信號完整性研究和仿真　　【摘要】針對高速數(shù)字電路中普遍存在信號完整性問題的現(xiàn)狀，對信號完整性問題中的過孔地彈噪聲進行了分析和仿真，提出了減少地彈噪聲的方法。首先從理論上介紹并分析信號完整性在高速數(shù)字電路設計中的重要性，接著分析了過孔地彈噪聲破壞信號完整性的原因，最后結合實際電路，使用SPEED2000仿真軟件分別對地彈噪聲進行仿真，通過對仿真結果的分析，驗證了該方法的有效性。該分析和仿真的方法對信號完整性問題的研究有一定的借鑒和指導作用?！娟P鍵詞】信號完整性；地彈噪聲；高速數(shù)字電路1.引言在集成電路設計、高速封裝技術和電

2、路制造技術高速發(fā)展的今天，主流集成電路工藝尺寸已經(jīng)達到40納米級，系統(tǒng)時鐘頻率進入1GHz以上的高速設計領域。同時，電子設計工程師們正在從事的主流電路設計也已經(jīng)全面達到100MHz以上，有的甚至超過500MHz[1]。高速數(shù)字電路的時鐘頻率不斷提高，信號的邊沿越來越陡峭，電路的集成度越來越高，必將使電路表現(xiàn)出與低速設計截然不同的行為，即信號完整性（SignalIntegrity，9SI）問題。信號完整性問題是影響高速數(shù)字電路可靠性的一個關鍵因素，已經(jīng)成為當今電子設計領域的一個重要瓶頸[2]。高速數(shù)字電路整個系統(tǒng)設計完成后，很難診斷和解

3、決系統(tǒng)中出現(xiàn)的信號完整性問題。因此在高速數(shù)字電路系統(tǒng)設計中進行信號完整性分析不僅能夠有效地提高產(chǎn)品的性能，而且可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。在數(shù)字系統(tǒng)向高速、高密度方向發(fā)展的情況下，掌握這一利器是十分必要的。本文分析了高速數(shù)字電路中產(chǎn)生信號完整性問題的原因，介紹了一些比較常見的信號完整性問題，對電源/地系統(tǒng)中的地彈噪聲進行了詳細地仿真。最后提出了解決或減少地彈噪聲的方法。2.信號完整性概述信號完整性是指信號在電路中以正確的時序和電壓做出響應的能力，也指在信號線上的信號質(zhì)量[3]。信號完整性問題會使系統(tǒng)的噪聲安全系數(shù)下降，接收端收

4、到的信號低于高電平參考線或者高于低電平參考線，從而導致系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤轉(zhuǎn)換。許多從邏輯角度看來是正確的設計，由于系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲帶來的電壓波動很有可能擾亂正常數(shù)字邏輯信號而導致系統(tǒng)功能失效。而且，在高速數(shù)字系統(tǒng)中電路的工作電壓呈不斷降低的趨勢下，一個不大的噪聲干擾對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響是越來越大的。（1）正常信號（2）噪聲信號（3）失真信號圖1噪聲對數(shù)字信號的影響9在圖1中，當正常信號（1）被噪聲信號（2）干擾時，就會產(chǎn)生失真信號。圖1（3）中左邊圈住的區(qū)域，由于噪聲的干擾使原來處于高電平區(qū)的信號突變到了低電平區(qū)，邏輯電平由1變?yōu)?，右邊圈住

5、的區(qū)域與左邊的正相反。這種情況就是出現(xiàn)了信號完整性問題。高速數(shù)字電路的信號完整性問題主要包括信號的反射、串擾、地彈和時序錯誤等。2.1反射產(chǎn)生反射的根本原因是信號傳輸路徑上的阻抗不連續(xù)。信號在傳輸線上傳播，如果傳輸線的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，導致傳輸線的特性阻抗與信號的源端阻抗或負載阻抗不匹配，一部分信號會發(fā)生發(fā)射，另一部分信號發(fā)生失真并沿原路徑繼續(xù)傳播下去[4]。反射造成的失真會使信號質(zhì)量下降，形成上、下沖和振鈴，造成邏輯電平的誤判和器件的誤觸發(fā)。2.2串擾信號在傳輸過程中會形成變化的電場和磁場，如果相鄰傳輸線之間距離太近，相應的電磁場之

6、間就會發(fā)生電磁感應，產(chǎn)生感應電壓和感應電流，從而影響傳輸線的質(zhì)量，這種現(xiàn)象稱為傳輸線的串擾[5]。PCB板層的參數(shù)、信號線間距、驅(qū)動端和接收端的電氣特性及線端接方式都對串擾的產(chǎn)生有一定的影響，過大的串擾可能引起電路的誤觸發(fā)，導致系統(tǒng)無法正常工作。92.3地彈（1）理想電壓信號（2）實際電壓信號圖2理想信號與實際信號在PCB板中，電源/地和過孔形成了電源分布系統(tǒng)。在電源/地系統(tǒng)中由于寄生參數(shù)的影響而產(chǎn)生的信號干擾噪聲稱為電源/地噪聲。當PCB板上的大量器件（核心邏輯，輸出驅(qū)動等）同步進行切換時，由于電源線和地線上存在阻抗，會產(chǎn)生同步切換

7、噪聲（SimultaneousSwitchNoise，SSN）。與此同時，由于芯片封裝電感的存在，在電路同步切換過程中形成的大電流涌動會引起地平面的反彈噪聲（簡稱為地彈），這樣在真正的地平面（0V）上就會產(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[6]，如圖2所示。地彈是電源/地噪聲中的一種，也是本文論述的重點，后面將作詳細介紹。2.4時序錯誤9電路中只能按照規(guī)定的時序接收數(shù)據(jù)，過長的信號延遲可能導致時序錯誤和功能的混亂，在低速的系統(tǒng)中不會有問題，但是在高速數(shù)字系統(tǒng)中，信號上升/下降沿變得陡峭，時鐘速率提高，信號在器件之間的

8、傳輸時間以及同步時間就會縮短[7]。系統(tǒng)所能允許的時延越來越短。由于傳輸線上的等效電容和電感都會對信號的數(shù)字切換產(chǎn)生延遲，從而引起系統(tǒng)時序錯誤，使得信號不能滿足接收器件正確接收所需要的時序，從而導致接收錯誤。除了上述信號