PCB科技 - 基於信號完整性理論的PCB模擬設計與分析研究

現時, 這個 related signal integrity (SI) engineering and research at home and abroad is still an immature subject, 其分析方法和實踐還不完善, 現時仍處於不斷探索階段. 在 印刷電路板設計 基於信號完整性的電腦分析方法, 最覈心的部分是 印刷電路板板-液位信號完整性模型, 這是與傳統設計方法的主要區別. SI模型的準確性將决定設計的正確性, SI模型的可構建性决定了這種設計方法的可行性.

高速數位通信中的問題 電路設計 are prominently reflected in the following types: (1) The increase in operating frequency and the reduction of signal rise/fall time will reduce the timing margin of the design system and even cause timing problems; (2) Transmission line effects The resulting signal oscillation, 超調和欠調都將對容錯性構成巨大威脅, noise tolerance and monotonicity of the designed system; (3) After the signal edge time drops to 1 ns, 訊號之間的串擾變得非常嚴重. An important problem; (4) When the time of the signal edge is close to 0.5ns, the stability problem of the power system and the electromagnetic interference (EMI) problem also become very prominent.

在高速系統中，能否處理好系統的訊號互連，解决信號完整性問題是系統設計成功的關鍵。 同時，信號完整性也是解决電源完整性、電磁相容性和電磁干擾（EMC公司/EMI）問題的基礎和前提。

高頻效應與傳輸線理論

高頻效應

在高頻趨膚效應的情况下，電磁波在進入良導體時會急劇衰减。 即使在良導體中距離小於一個波長的地方，電磁波也會顯著衰减，囙此高頻電磁場只能存在於良導體的一個表面上。 在薄層中，這種現象稱為趨膚效應。 電磁波場强度衰减到表面1/e的深度為表皮深度

公式（1）說明：電導率越大，電導率越好，工作頻率越高，趨膚深度越小，這導致高頻電阻遠大於低頻或直流電阻。 當鄰近效應存在於多個載流導體之間的相互電磁干擾中時，每個載流導體的橫截面的電流分佈不同於隔離載流導體的橫截面的電流分佈。 當有兩個相鄰的導體以相反的方向承載電流時，電流密度在彼此靠近的兩側最近的點處最大； 當兩個載流導體的電流方向相同時，兩個外側的電流密度最小。 通常，鄰近效應會新增等效電阻並降低電感。

傳輸線理論

廣義傳輸線是一種導體、介質或由其組成的引導系統，用於引導電磁波在某個方向上的傳輸。 一般討論的傳輸線是指微波傳輸線，其理論是長線理論。 當傳輸線的幾何尺寸與電磁波的波長相當時，必須考慮傳輸線的分佈參數（或寄生參數）。 在高速數位或射頻電路設計和高速電路模擬設計中，許多電磁現象必須用傳輸線理論來解釋。 傳輸線理論是研究高速數位（或射頻）電路的基礎。

傳輸線基本理論當傳輸訊號速率或頻率達到一定水准時，必須考慮傳輸訊號通道上的分佈參數。 以平行雙線為例，其集膚效應新增了組織長度的射頻阻抗。 當達到射頻範圍時，平行雙線周圍的磁場非常强，必須考慮其寄生電感，平行雙線之間的電場應等效於電容器。 同時，當頻率較高時，應考慮導線間的洩漏現象。 囙此，組織長度傳輸線的等效電路可以由R、L、G、C 4個元素組成，如圖1所示。

圖1組織長度輸電線路等效電路

根據基爾霍夫定律，傳輸線方程可以表示為

囙此，傳輸線方程的一般解可以寫成

式中：V+、V-、I+、I-分別為電壓波和電流波的振幅常數，+分別表示入射波（+Z）和反射波（-Z）的傳輸方向。 傳播常數C定義為

式中：A為衰减常數； B是相位常數。 傳輸線上某一點的電壓和電流分別是入射波和反射波的疊加。 Z軸上任意點的電壓和電流表示為

上述公式表明，傳輸線上傳輸的電壓波和電流波是時間和傳輸距離的函數。

綜合傳輸線理論

集成傳輸線包括微帶線、帶狀線、耦合線和各種共面波導。 微帶線是現時混合微波集成電路和單片微波集成電路中應用最廣泛的平面傳輸線。 它可以用於光刻程式製作，並且易於與其他無源微波電路和有源微波器件集成，實現微波組件和系統的集成。 微帶線的訊號線在外層，接地層在訊號線的另一側，易於測試。

帶狀線，也稱為3板線，由兩條橫截面為矩形的導體條組成，在接地板之間填充均勻的介質或空氣。 帶狀線的訊號線夾在兩個電源層之間。 理論上，它可以最好地傳輸訊號，因為它被兩側的電源層遮罩。 但它將訊號線隱藏在內部，不利於測試。

信號完整性理論

信號完整性（SI）主要研究訊號沿導線傳輸後的質量和定時問題。 通常，需要解决的信號完整性問題包括：（1）阻抗失配引起的反射； （2）串擾，由相鄰訊號的耦合引起； （3）過沖和欠沖； （4）振鈴，表現為訊號反復振盪，可通過適當的端接加以抑制； （5）接地板反彈雜訊和開關雜訊，對於高速設備，大量數据總線訊號快速翻轉，通過接地回路的電流變化導致非理想接地板； （6）配電。 對於高速電路，控制電源/接地層的阻抗是系統設計的關鍵； （7）時間安排問題。 對於高速設計，訊號傳播延遲、時鐘偏移和抖動足以導致系統無法正確判斷數據； （8）電磁干擾問題包括電磁輻射和抗擾度。 解决印刷電路板設計中的EMI問題是系統EMI控制中最重要的環節，成本最低。

模擬模型及建模方法

SPICE模擬模型及建模方法

SPICE模擬模型SPICE（simulation program with integrated circuit emphasis）是一種通用電路分析程式，可以在一般條件下分析和類比各種電路特性。

SPICE程式可以取代整個電子實驗室的功能，如麵包板和示波器。 SPICE程式有一個巨大的設備庫，包括：（1）無源設備模型，如電阻器、電容器、電感器、傳輸線等。； （2）半導體器件模型，如二極體、電晶體、結場效應電晶體和MOS場。 效應管等。； （3）各種電源，包括線性和非線性受控源，如獨立電壓源、電流源、受控電壓源、電流源等。； （4）A／D、D／A轉換介面電路和數位電路設備庫。

SPICE模型建模方法通常使用兩種設備，一種是分立元件，另一種是晶片。 根據器件的類型，採用了兩種電路建模方法。

1）基本設備型號。 例如：電阻器、電容器、電感器、普通3極管等。這些是構成電路的最基本單元。 通常採用物理方法建模，即以描述器件物理特性的方程為起點建立器件模型。 同一設備在不同工作頻率下的型號不同。

2）晶片子電路設備型號。 晶片通常由一些基本元件組成，每個基本單元元件及其連接關係以網表的形式構成子電路，其他電路可以調用這些子電路來形成晶片的子電路模型。 通常採用黑箱（Blackbox）方法建模，即將設備視為一個黑箱，重點關注埠的工作特性，並使用它來形成模型。

IBIS模擬模型和模型結構

IBIS模擬模型IBIS（輸入/輸出緩衝區資訊）輸入/輸出緩衝區資訊規範，是組件的標準模型資訊。 IBIS模型是一種基於V/I曲線快速準確地建模I/O緩衝區的方法。 它是反映晶片驅動和接收電力特性的國際標準。 它提供了標準的檔案格式來記錄，例如驅動器。 輸出阻抗、上升/下降時間和輸出負載等參數非常適合計算和類比高頻效應，如振鈴和串擾。

IBIS模型結構IBIS模型是用來描述I/O緩衝區資訊特性的模型。 輸出和輸入埠的行為描述可以分解為一系列簡單的功能模組，從這些簡單的功能模組可以建立一個完整的IBIS模型。， 即緩衝單元中的基本元件，包括封裝帶來的寄生參數（輸入、輸出或使能端子）、矽本身的寄生電容、電源或接地嵌入保護電路、閾值和使能邏輯、上拉和下拉電路等。

印刷電路板 simulation examples and results analysis

印刷電路板板模擬相關參數設置

There are two types of 印刷電路板 類比：線類比和 板 水准類比. 線類比可以幫助設計者調整零部件的佈局, 根據設計中對信號完整性和定時的要求，規劃系統時鐘網絡，並在路由前確定關鍵線路網絡的終止策略, 在佈線過程中跟踪設計, 並隨時迴響路由效果. 板級類比通常在 印刷電路板設計 基本完成. 這些因素對矽的影響以及這些因素之間的相互影響，如電, EMC, 熱效能和機械效能可綜合考慮, 以便進行真正的系統級分析和驗證. 執行類比時, 首先加載組件的模擬模型, 然後進行預類比，以確定佈線過程中所需的參數設置和一些約束條件. 然後, 在實際佈線過程中，隨時通過線路類比檢查佈線效果, 最後接線基本完成後, 板-level simulation is performed to check the performance of the system [6]. The example in this article is the reflection simulation analysis of SFP (small form-factor pluggable optical transceiver) small form-factor pluggable optical transceiver.

模擬實例及結果分析

在完成SFP光收發模組的方案設計後，建立了模擬模型, the 印刷電路板板 應開始設計. 由於SFP光端機模塊的工作頻率設定為1.25Gbit/s, 資料傳輸率很高, 微分軌跡的長度很長, 囙此，必須利用微帶傳輸線的阻抗匹配來减少源端反射, 從而確保訊號的質量. 根據原理圖中MAX3748晶片數據, 差動線路的單端輸出阻抗為50Ω, 根據SFP-MSA協定, RD的差動阻抗++/-母船上的港口板 is 100Î）. 根據微分線理論, 在無聯軸器的情况下, 兩條平行微帶傳輸線的差分阻抗等於單端阻抗的兩倍. 因此, 必須使用特性阻抗為50Ω的傳輸線進行匹配. 選取MAX3748和接頭J1之間的互連網路拓撲，如圖2所示. 因為J1是一個接頭, 沒有可調用的相應IBIS模型數據. 因此, 為了使類比成為可能, 在J1處加載系統隨附的差分接收器DIN1. 並設定相應的工作頻率.

圖2 MAX3748與J1互連拓撲結構

模擬結果與分析通過對模擬結果的分析，訊號質量不符合設計要求。 主要問題如下：（1）上升沿和下降沿的非線性； （2）波形中的某些過沖和欠沖； （3））邊緣速率變慢。 針對上述問題，通過對電路的進一步分析，發現這些現象是由兩個因素引起的。 1）由於SFP光收發模組主要使用差分線路進行訊號傳輸，根據SFP-MSA協定，主機板上的差分阻抗為100Î）。 此外，MAX3748差分輸出端的阻抗為100Î）。 在之前的模擬中，當系統選取拓撲時，默認阻抗為60Ω微帶線，這導致阻抗失配。 2）由於系統差分輸入端子加載在J1後面，當處於高阻抗狀態時，相當於端子開路情况，存在較大反射。

囙此，為了保證訊號的質量，必須進行阻抗匹配。 將差分傳輸線的阻抗設定為100Î）。 根據差分微帶線理論，利用傳輸線計算軟件可以計算出差分線的線寬為15mil，線間距為10mil，對應的單端阻抗約為62.5Î）。 由於差分線之間存在一定的耦合，將之前模擬的拓撲結構中的無損微帶線替換為實際的有損耦合微帶線進行模擬分析。 同時，向拓撲中的3.3V電源添加50Ω的終端電阻。

修改後的拓撲如圖3所示。

圖3修改後的拓撲

從模擬波形和眼圖分析可知，該訊號具有較好的信號完整性。 訊號的超調幅度約為54mV，上升沿和下降沿約為100ps，差動輸出信號的擺動幅度約為850mV，滿足訊號輸出要求。