高速互連系統(tǒng)的信號(hào)完整性研究.pdf

1、隨著數(shù)字電路速率及時(shí)鐘頻率的不斷提高，在高速系統(tǒng)中，高速信號(hào)經(jīng)過互連線時(shí)會(huì)產(chǎn)生延遲、反射、衰減、串?dāng)_、色散等信號(hào)完整性問題。信號(hào)完整性問題已成為高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵問題之一。對(duì)于傳輸速率達(dá)幾百M(fèi)bps甚至數(shù)Gbps的高速數(shù)字信號(hào)，其有效頻譜已擴(kuò)展至微波甚至毫米波頻段，在復(fù)雜互連系統(tǒng)中傳輸時(shí)已表現(xiàn)出明顯的波特性，因此信號(hào)完整性問題的分析本質(zhì)上是求解一個(gè)復(fù)雜的電磁場邊值問題。為了精確分析這種復(fù)雜的電磁效應(yīng)，唯一可行的方法是采用基于

2、電磁場理論的全波電磁分析方法。本文圍繞電磁建模仿真這一主軸，結(jié)合電路系統(tǒng)的分析方法及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在頻域和時(shí)域(經(jīng)傅立葉變換)對(duì)高速互連系統(tǒng)(特別是高速背板互連系統(tǒng))及500Mbps高速系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)完整性分析，主要研究互連系統(tǒng)是如何影響高速信號(hào)傳輸?shù)模蝗缓髲倪@些分析結(jié)果中得出結(jié)論，建立設(shè)計(jì)規(guī)則，從而指導(dǎo)高速電路的設(shè)計(jì)，解決信號(hào)完整性問題；其目的在于確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸，保證高速電路系統(tǒng)具有良好的信號(hào)完整性。本文在理論和應(yīng)用方面所做的工作主要包

3、括： 1.首次從理論上系統(tǒng)地推導(dǎo)出各種差分電路的混合模S參數(shù)級(jí)聯(lián)公式；并根據(jù)混合模S參數(shù)的定義，推導(dǎo)出不同拓樸結(jié)構(gòu)差分電路的混合模S參數(shù)表達(dá)式，及其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)S參數(shù)與混合模S參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系式；并將混合模S參數(shù)理論用于高速差分互連和500Mbps高速系統(tǒng)的信號(hào)完整性分析。 2.主要基于實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合三維全波電磁仿真軟件在頻域和時(shí)域?qū)Ω咚倩ミB中常見的不同特性阻抗(線寬)、長度、PCB板厚度、PCB板介電常數(shù)的微帶互連線以及

4、不同類型的傳輸線，如：接地共面波導(dǎo)、帶狀線和嵌入式微帶線的信號(hào)完整性性能進(jìn)行分析，并對(duì)接地共面波導(dǎo)的諧振現(xiàn)象和傳輸特性進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析；然后采用混合模S參數(shù)的理論對(duì)高速互連中常用的差分微帶線和差分帶狀線的信號(hào)完整性性能進(jìn)行頻域的仿真分析。 3.主要基于實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合三維全波電磁仿真軟件及電路系統(tǒng)仿真軟件在頻域和時(shí)域?qū)Ω咚倩ミB線中常見的不連續(xù)性，如：走線拐彎、導(dǎo)帶寬度跳變、端接負(fù)載失配及過孔的信號(hào)完整性性能進(jìn)行分析；然后采用

5、混合模S參數(shù)的理論對(duì)各種高速差分互連的不連續(xù)性，如：差分線走線拐彎、導(dǎo)帶寬度跳變及差分過孔進(jìn)行頻域的信號(hào)完整性仿真分析，從而了解差分互連不連續(xù)性在傳輸高速信號(hào)時(shí)的各種工作模式特性。 4.首次提出了一種自適應(yīng)區(qū)域分解時(shí)域有限差分方法，并用于高速互連的信號(hào)完整性分析，可以加快計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算復(fù)雜問題的效率。這種方法是將待解問題劃分為若干獨(dú)立的FDTD子區(qū)域，并在子區(qū)域之間建立連接邊界條件和相應(yīng)的邊界檢測(cè)準(zhǔn)則，以便在各子區(qū)域之間進(jìn)行

6、自適應(yīng)檢測(cè)；將波沒有傳播到的子區(qū)域置于休眠狀態(tài)，子域邊界上檢測(cè)到激勵(lì)信息時(shí)，再激活該子域，進(jìn)行傳統(tǒng)的FDTD迭代計(jì)算。通過對(duì)二維的波導(dǎo)系統(tǒng)和三維高速互連微帶線及多層微帶互連結(jié)構(gòu)的分析實(shí)例，驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。 5.主要基于實(shí)驗(yàn)研究，并結(jié)合三維全波電磁仿真軟件和電路系統(tǒng)仿真軟件在頻域和時(shí)域?qū)Σ煌暾麉⒖济婊ミB線(非理想返回路徑)，如：參考面上不同寬度、長度的槽縫、旁路電容的設(shè)置以及網(wǎng)孔狀參考面上的互連線、不完整參考面上差分

7、互連的信號(hào)完整性性能進(jìn)行分析；然后通過實(shí)際測(cè)試分析了不完整參考面對(duì)互連線間耦合的影響以及具有共同返回路徑的互連線間的串?dāng)_。此外，通過頻域的測(cè)試和仿真，對(duì)單端互連線在不同間距、線間鋪設(shè)地線、不同終端負(fù)載阻抗和傳輸線阻抗不連續(xù)性情況下的串?dāng)_以及差分互連線之間串?dāng)_分別進(jìn)行了仔細(xì)的研究。 6.設(shè)計(jì)了500Mbps高速數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的LVDS背板，并對(duì)該系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和眼圖進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量；利用三維全波電磁仿真軟件HFSS對(duì)500Mb