信號(hào)完整性分析_基于hyperlynx的串?dāng)_仿真與分析_西安電子科技大學(xué)

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1、信號(hào)完整性分析基于Hyperlynx的串?dāng)_仿真與分析學(xué)號(hào)：姓名：學(xué)院：研究生院25時(shí)間：2014.12.25在當(dāng)今飛速發(fā)展的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高速化和小型化已經(jīng)成為設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。與此同時(shí)信號(hào)頻率的提高，電路板的尺寸變小，布線密度加大、板層數(shù)增多而導(dǎo)致的層間厚度減小等因素則會(huì)引起各種信號(hào)完整性問(wèn)題。在所有的信號(hào)完整性問(wèn)題中，串?dāng)_現(xiàn)象是非常普遍的。串?dāng)_可能出現(xiàn)在芯片內(nèi)部，也可能出現(xiàn)在電路板、連接器、芯片封裝以及線纜上。本文將剖析在高速PCB板設(shè)計(jì)中信號(hào)串?dāng)_的產(chǎn)生原因，運(yùn)用HyperLynx仿真軟件分析其抑制和改善的方法對(duì)串?dāng)_進(jìn)行仿真分析，通過(guò)拉大線距

2、、減小介質(zhì)層厚度、增加端接等方法，分析相關(guān)因素對(duì)串?dāng)_的影響，從而達(dá)到減小串?dāng)_的目的。第一部分串?dāng)_理論1引言信號(hào)完整性是指電路系統(tǒng)中信號(hào)的質(zhì)量，如果在要求的時(shí)間內(nèi)，信號(hào)能不失真地從源端傳送到接收端，就稱該信號(hào)是完整的。它包括反射、串?dāng)_和時(shí)序等方面,其中串?dāng)_是保證信號(hào)完整性設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的方面。隨著系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的提高、電路板尺寸變小、布線密度加大以及信號(hào)跳變沿不斷縮短，信號(hào)完整性問(wèn)題日益突出。因?yàn)樗苯佑绊懙较到y(tǒng)性能，所以信號(hào)完整性已經(jīng)成為高速數(shù)字PCB設(shè)計(jì)必須關(guān)心的問(wèn)題之一。信號(hào)串?dāng)_是高速設(shè)計(jì)所面臨的信號(hào)完整性問(wèn)題中的一個(gè)重要內(nèi)容,串?dāng)_是造成電路

3、功能錯(cuò)誤的一個(gè)主要原因。如果能在驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)串?dāng)_引起的錯(cuò)誤,可以通過(guò)重新布線或重新設(shè)計(jì)加以去除。然而,重復(fù)設(shè)計(jì)在許多情況下是被禁止的,因?yàn)檫@意味著成本的提高,研發(fā)周期的增加。仿真已成為高速信號(hào)設(shè)計(jì)的必要手段。根據(jù)仿真結(jié)果,獲得最佳解決方案,以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。串?dāng)_是芯片上走線之間的寄生耦合，在數(shù)字設(shè)計(jì)中普遍存在，有可能出現(xiàn)在芯片、PCB板、連接器25、芯片封裝和連接器電纜等器件上。隨著技術(shù)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越向小而快發(fā)展，如果串?dāng)_超過(guò)一定的限度就會(huì)引起電路的誤觸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作，所以必須更加注意數(shù)字電路系統(tǒng)中的串?dāng)_現(xiàn)象。因此，了解

4、串?dāng)_的機(jī)理以及如何在設(shè)計(jì)中避免就顯得非常重要。2串?dāng)_產(chǎn)生的機(jī)理串?dāng)_是信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，由于電磁耦合而在相鄰的傳輸線上產(chǎn)生不期望的電壓或電流噪聲干擾，信號(hào)線的邊緣場(chǎng)效應(yīng)是導(dǎo)致串?dāng)_產(chǎn)生的根本原因。這種干擾是由于信號(hào)線之間的耦合，即信號(hào)線之間互感和互容耦合引起的。感性耦合產(chǎn)生耦合電壓，容性耦合則引發(fā)耦合電流。如圖1-1所示，假設(shè)位于A點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器是干擾源，而位于D點(diǎn)的接受器為被干擾對(duì)象，那么驅(qū)動(dòng)器A所在的傳輸線被稱之為干擾源網(wǎng)絡(luò)或侵害網(wǎng)絡(luò)(Aggressor)，相應(yīng)的接收器D所在的傳輸線網(wǎng)絡(luò)被稱之為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)或受害網(wǎng)絡(luò)。靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)靠近干擾源一端的串?dāng)_稱

5、為近端串?dāng)_(也稱后向串?dāng)_)，而遠(yuǎn)離干擾源一端的串?dāng)_稱為遠(yuǎn)端串?dāng)_(或稱前向串?dāng)_)。串?dāng)_按產(chǎn)生機(jī)理分為電感性和電容性，同時(shí)按串?dāng)_在被干擾線上產(chǎn)生的位置分為前向串?dāng)_與后向串?dāng)_。圖1-1兩條傳輸線的耦合2.1感（容）性串?dāng)_當(dāng)干擾線上有一個(gè)由低到高變化的信號(hào)從源端傳向負(fù)載端時(shí)，干擾線上的分布電感(容)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)變磁(電)場(chǎng)，被干擾線將包括在這個(gè)磁(電)場(chǎng)里面。因此，變化的磁(電)場(chǎng)在被干擾線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓(電流)。圖1-2、圖1-3中，Tr是信號(hào)的跳變時(shí)間，Tof是傳輸線延時(shí)。25圖1-2電容耦合串?dāng)_圖1-3電感耦合串?dāng)_這個(gè)感應(yīng)電流(電壓)分別向被干擾

6、線的近端和遠(yuǎn)端2個(gè)方向傳播，朝近端傳播的串?dāng)_稱為近端串?dāng)_(也稱后向串?dāng)_)；另一個(gè)向遠(yuǎn)端傳播的串?dāng)_稱為遠(yuǎn)端串?dāng)_(也稱前向串?dāng)_)。2.2向前串?dāng)_隨著信號(hào)不斷前移，被干擾線上前向串?dāng)_與信號(hào)以相同的速度向前移動(dòng)，因此各串?dāng)_點(diǎn)感應(yīng)的前向串?dāng)_噪聲是不斷疊加的。同時(shí)，串?dāng)_只產(chǎn)生于信號(hào)變化的時(shí)刻,前向脈沖的持續(xù)時(shí)間等于干擾信號(hào)的跳變時(shí)間。因此，前向串?dāng)_表現(xiàn)為一個(gè)尖端脈沖。2根線的串?dāng)_長(zhǎng)度越長(zhǎng)，脈沖的峰值越大。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)干擾線時(shí),時(shí)變的電場(chǎng)在被干擾線上產(chǎn)生一個(gè)極性和原信號(hào)相同的容性串?dāng)_電壓,而時(shí)變的磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)極性相反的感性串?dāng)_電壓。因此,對(duì)于前向串?dāng)_,表現(xiàn)為容

7、性串?dāng)_和感性串?dāng)_的互相抵消,當(dāng)兩者的串?dāng)_長(zhǎng)度相同時(shí)，前向串?dāng)_完全消失。25實(shí)際中很少有容性和感性串?dāng)_完全抵消的情況，但在許多串?dāng)_環(huán)節(jié)里，前向串?dāng)_確實(shí)相當(dāng)小，而后向串?dāng)_是考慮的重點(diǎn)。2.3向后串?dāng)_后向串?dāng)_產(chǎn)生的機(jī)制和前向串?dāng)_相同，但它與前向串?dāng)_之間存在一些不同點(diǎn)。由于后向串?dāng)_與干擾信號(hào)的方向相反，因此各串?dāng)_點(diǎn)的噪聲是源源不斷的回到近端的，表現(xiàn)為一個(gè)長(zhǎng)脈沖。后向串?dāng)_從信號(hào)離開(kāi)源端開(kāi)始，經(jīng)過(guò)Tof，信號(hào)到達(dá)負(fù)載端，此時(shí)該串?dāng)_點(diǎn)產(chǎn)生的后向串?dāng)_還要經(jīng)過(guò)一個(gè)Tof才能回到近端。因此，后向串?dāng)_的脈沖寬度等于兩倍的串?dāng)_線的延時(shí)。后向串?dāng)_的容性和感性部分具有相同

8、的極性，與干擾信號(hào)的極性相同,因此它們相互疊加而不是抵消。當(dāng)傳輸線延時(shí)大于的1/2tr時(shí),后向串?dāng)_達(dá)到峰值，串?dāng)_電壓峰值將不隨傳輸線長(zhǎng)度的增加而增大，