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本科测控技术与仪器毕业论文(设计):高速电路板级SIPI与实践.doc

上传人:文档投稿赚钱 文档编号:1470914 上传时间:2018-07-20 格式:DOC 页数:50 大小:3.09MB
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1、 本科毕业论文(设计)题 目 高速电路板级 SIPI 与实践 学生姓名 专业名称 测控技术与仪器 指导教师 教学单位 物理与信息技术系学生学号 200891044019 编 号 WL2012CK019 教学单位 学生学号 编 号 12012 年 05 月 17 日目 录一 论文正文1 绪论 .11.1 SI 与 PI 基本原则 .11.2 信号完整性分析、电源完整性分析简介 .22 SI 的仿真与设计 .32.1 信号完整性分析定义与对象 .32.2 信号完整性问题 .42.3 SI 的 HyperLynx 仿真 .133 PI 仿真与设计 .233.1 概述 .233.2 电源系统的噪声来源

2、与电容的退耦 .243.3 PI 的仿真分析 .274 总结与实例 .32参考文献 .34谢辞 .35二 附录论文(设计)任务书 .36论文(设计)结题报告 .38论文(设计)成绩评定及答辩评议表 .40论文(设计)答辩过程记录 .42高速电路板级 SI、PI 与实践摘要:随着 PCB 设计越来越复杂,设计周期越来越短,信号完整性仿真分析正变得越来越重要。本文简介了信号完整性针对的基本问题,介绍了基于信号完整性仿真分析的高速 PCB 设计方法,并结合一个高速 PCB 设计案例,通过 Mentor Graphics 公司电路系统仿真工具HyperLynx ,对高速板级电路进行仿真。研究通过改变传

3、输线参数、干扰源、地平面介质对串扰的影响。根据 PCB 厂家的制版参数匹配出阻抗线。仿真分析出层间结构、布局、布线规则和一些端接方案,完成仿真板级结果。关键词:信号完整性;信号完整性仿真 IBIS;串扰;传输线; HyperLynx 仿真IHigh-speed circuit board level SI、PI and practiceAbstract: with the PCB design more and more complex, the design cycle more and more short, signal integrity simulation analysis is

4、becoming more and more important. In this paper are introduced the signal integrity in the basic problem, introduces the simulation analysis based on signal integrity of the PCB design method, and combining with a high speed PCB design case, through the Mentor Graphics company circuit system simulat

5、ion tools-HyperLynx, for high-speed circuit board level simulation. Research by changing the parameters of the transmission line, interference sources, ground plane media on the influence of crosstalk. According to the PCB manufacturer plate parameters matching the impedance line. The simulation ana

6、lysis between the layer structure, layout and wiring rules and some termination program, complete simulation board level results.Key words:Signal Integrity(SI );SI Simulation;IBIS;Crosstalk;transmission lines;HyperLynx simulation目 录1 绪论 .11.1 SI 与 PI 基本原则 .11.2 信号完整性分析、电源完整性分析简介 .22 SI 的仿真与设计 .32.1

7、信号完整性分析定义与对象 .32.2 信号完整性问题 .42.3 SI 的 HyperLynx 仿真 .133 PI 仿真与设计 .233.1 概述 .233.2 电源系统的噪声来源与电容的退耦 .243.3 PI 的仿真分析 .274 总结与实例 .32参考文献 .34谢辞 .3501 绪论1.1 与基本原则作为硬件设计我们必须了解的原则:1 提高告诉产品设计效率的关键是:充分利用分析工具实现准确的性能预测:使用测量手段来验证设计过程,降低风险,提高设计工具的可信度。2 将问题实质与表面现象剥离开的唯一可行的路径是采用经验法则,解析近似,数值仿真技术或者测量工具来获得数据,这是工程实践的本质

8、要素。3 任何一段互连线,不论线长或形状如何,也不论信号的上升时间如何,都是一个由信号路径和返回路径构成的传输线。一个信号在沿着互连线前进的每一步中,都会感受多发哦一个瞬态的阻抗。如果瞬态阻抗为常数,就像传输线具有均匀的横截面一样,则其信号质量将会获得奇迹般的改善。4 把“接地”这一术语忘掉,因为它所造成的问题比用它来解决的问题还要多。每一路信号都有返回路径。抓住“返回路径” ,像对待信号路径一样去寻找并仔细处理返回路径,这样有助于培养解决问题的直觉能力。5 当电压变化时电容上就有电流运动。对于信号的徒峭边,即使电路 PCB 板边缘和悬空导线之间的空隙形成的边缘线电容也可能拥有很低的阻抗。6

9、电感和围绕电流周围的磁力线匝数有本质的联系。只要电流或者磁力线匝数发生改变,在导线的两端就会产生电压。这一电压导致了反射噪声、串扰、开关噪声、地弹、轨道塌陷以及 EMI。7 当流经接地回路电感上的电流变化时,在接地回路导线上产生的电压称为地弹。它是造成开关噪声和 EMI 的内部机理。8 以同频率的方波作为参照,信号带宽是指有效正弦波分量的最高频率值。模型的带宽是指在这个最高的正弦频率上,模型仍然能够用来准确的预测互联的实际性能。在使用模型进行分析时,一定不要让信号的带宽超过模型的带宽。9 除了少数情况之外,信号完整性中的公式给出的是定义或者近似。在特别需要准确性的场合就不要使用近似。10 有损

10、传输线引起的问题就是上升边变差。由于趋肤深度和介质损耗,损耗会随着频率的升高而变化。如果损耗随着频率的升高而保持不变,那么上升时间就不会发生变化,这时的有损线只是增添了一些损耗而已。111 影响研发速度并造成产品交货延迟,就是企业付出最昂贵的代价。1.2 信号完整性分析、电源完整性分析简介从 PCB (Printed Circuit Board )板级设计来看,随着 IC 芯片的更新换代,新的高速电平标准不断推出,需要在 PCB 上传输的信号的沿速率越来越快,时序要求越来越高,噪声容限也越来越小, PCB 设计任务正变得越来越复杂。同时,产品的推陈出新却越来越快,市场留给 PCB 设计人员的时

11、间越来越少,往往需要PCB 设计一次成功。这就需要 PCB 的信号完整性仿真分析,在生产以前准确预测PCB 的工作特性,确保一次成功。事实上,即使对于更为简单的设计,仿真也是一个明智的选择。因为工程设计往往是质量和成本的折衷,通过仿真可以确定最佳的折衷点,即在满足一定设计要求的前提下,最大限度的降低成本。 实践证明,仿真的准确性能达到 90% 以上,能够满足工程应用的要求。近年来随着电子系统朝着大规模、小体积、高速度的方向不断发展,基于传统的电路设计理论设计出来的电路越来越多的遇到了诸如信号完整性和电源完整性之类的问题,严重的甚至会导致系统无法工作。要适应当前电子系统的发展,光靠设计完成后的修

12、修补补是远远不能解决问题的,而且成品后期解决问题耗费的成本,要数百倍于产品设计阶段解决问题的成本,必须从设计阶段就应用一整套的高速电路设计理论来指导电路板的设计。在这样的背景下,各种各样的高速电路设计理论应运而生。 高速电路首先要解决信号完整性问题。本文在理想的无损传输线的基础上,利用传输线理论,分析研究高速印刷电路板走线的信号特性,发现影响信号完整性的原因并找出解决常用的几种解决方法及各方法的优缺点。其中特意介绍了一种格形图的方法对信号的波形进行推算,并将推算波形和仿真波形进行对比。基于实际的有损传输线,本文还进一步研究了高速信号的传输特性,分析了直流损耗、趋肤效应,并且研究了PCB 布线中

13、常用的蛇行线、直角走线的影响。数字电路系统中普遍存在着串扰,这种串扰也存在于芯片内部、封装,PCB 板内、板间,连接器、线缆间等。通过对板级串扰产生的原因及串扰对传输时间和信号完整性的影响研究,可以找到两种终端匹配方法有效抑制串扰的影响。电源完整性是高速电路板级设计需要注意的另一个方面,它可分为电源系统完整性、返回路径(通常是非理想的)和同步开关噪声三个密切相关的问题。本文依次分析了这三个问题,并给出了解决这三个问题的指导性意见。22 SI 的仿真与设计2.1 信号完整性分析定义与对象信号完整性(Signal Integrity)是指信号未受损伤的一种状态。它表明信号通过传输线后仍保持正确的功

14、能特性,信号在电路中能以正确的时序和电压作出响应。由 IC 的时序可知如果信号在稳态时间(为了正确识别和处理数据,IC 要求在时钟边缘前后输入数据保持不变的时间间段)内发生了较大的跳变,IC 就可以误判或丢失部分数据。若数据具有良好的信号完整性,则电路具有正确的时序关系和信号幅度,数据不会出现错误的捕获,这意味着接收端能够得到正确的数据。相反,若出现信号完整性故障,就会引起任意的信号跳变,使信号不能正常响应,导致系统工作异常,性能下降。如果你发现,以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了,同样的设计,以前没问题,可是现在却无法工作,那么恭喜你,你碰到了硬件设计中最核心的问题:信号完整性。早一

15、天遇到,对你来说是好事。 在过去的低速时代,电平跳变时信号上升时间较长,通常几个 ns 。器件间的互连线不至于影响电路的功能,没必要关心信号完整性问题。但在今天的高速时代,随着 IC 输出开关速度的提高,很多都在皮秒级,不管信号周期如何,几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。另外,对低功耗追求使得内核电压越来越低,1.2v 内核电压已经很常见了。因此系统能容忍的噪声余量越来越小,这也使得信号完整性问题更加突出。 广义上讲,信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题,它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后,如何影响到产品性能的问题。主要表现在对时序的影响、信号振铃、信

16、号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。信号总是从驱动端经过传输媒介到达接收端,所有传输媒介的电磁特性都将影响到接收端的接收到的信号。对于一个典型的数字信号网络,信号由芯片产生,经过芯片输出缓冲器(Buffer ) 、芯片封装,由焊接点进入 PCB ,通过 PCB 走线、过孔,有时还要经过各种连接器、插槽、电缆等,最后到达接收端,通常是另一个芯片,再依次经过焊接点、封装,最后到达输入缓冲器。板级的信号完整性分析的3对象就是这些传输媒介(通常称为互连线)对信号的影响。通过对互连线各组成部分建模,提取必要的参数,计算出接收端得到的信号波

17、形,并对结果进行分析,这就是信号完整性分析。2.2 信号完整性问题传输线效应:在工作频率较低情况下,当信号的上升时间和下降时间较长时,PCB 上的导线可以认为是具有一定数量延时的理想导体,则该输出导线上的任意位置在同一时刻都可以得到相同的波形。在工作频率较高的情况下,PCB 上的每一段导线都已经由理想的导线转变为复杂的导线。下面通过如图所示的理想传输线模型来具体分析信号反射问题,图中长度为 L的理想传输线被内阻为 R0 的数字信号驱动源 Vs 驱动,传输线的特性阻抗为 Zo,负载阻抗为 Zl。图 1 理想传输线模型当负载阻抗与传输线阻抗不匹配时,负载端(B 点)会反射一部分信号回原端A,反射电压的幅值由负载反射系数 l 决定。当 R0=Z0=RL 时,传输线上不会发生任何反射,传输线无直流损耗,这种情况被称为临界阻尼,即负载完全吸收到达的能量。如果负载阻抗大于传输线的特征阻抗,发射波极性为正,那么负载端多余的能量就会被反射回原端,这种情况称为欠阻尼。如果负载阻抗小于传输线的特征阻抗,反射波极性为负了,负载试图消耗比原端提供的能量更多的能量,它通过反射来通知原端输出更多的能量,这种情况称为过阻尼。欠阻尼和过阻尼都会引起反向传播的波形,但是我们从系统设计的情况看,临界阻尼一般很难满足,因为选择轻微的过阻尼当原端和接收端的阻抗不匹配时,信

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