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2012年05月17日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目录一论文正文1绪论111SI与PI基本原则112信号完整性分析、电源完整性分析简介22SI的仿真与设计321信号完整性分析定义与对象322信号完整性问题423SI的HYPERLYNX仿真133PI仿真与设计2331概述2332电源系统的噪声来源与电容的退耦2433PI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
2、评定及答辩评议表40论文（设计）答辩过程记录42I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MENTORGRAPHICS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；HYPE
3、RLYNX仿真IIHIGHSPEEDCIRCUITBOARDLEVELSI、PIANDPRACTICEABSTRACTWITHTHEPCBDESIGNMOREANDMORECOMPLEX,THEDESIGNCYCLEMOREANDMORESHORT,SIGNALINTEGRITYSIMULATIONANALYSISISBECOMINGMOREANDMOREIMPORTANTINTHISPAPERAREINTRODUCEDTHESIGNALINTEGRITYINTHEBASICPROBLEM,INTRODUCESTHESIMULATIONANALYSISBASEDONSIGNALINTEGRIT
4、YOFTHEPCBDESIGNMETHOD,ANDCOMBININGWITHAHIGHSPEEDPCBDESIGNCASE,THROUGHTHEMENTORGRAPHICSCOMPANYCIRCUITSYSTEMSIMULATIONTOOLSHYPERLYNX,FORHIGHSPEEDCIRCUITBOARDLEVELSIMULATIONRESEARCHBYCHANGINGTHEPARAMETERSOFTHETRANSMISSIONLINE,INTERFERENCESOURCES,GROUNDPLANEMEDIAONTHEINFLUENCEOFCROSSTALKACCORDINGTOTHEPC
5、BMANUFACTURERPLATEPARAMETERSMATCHINGTHEIMPEDANCELINETHESIMULATIONANALYSISBETWEENTHELAYERSTRUCTURE,LAYOUTANDWIRINGRULESANDSOMETERMINATIONPROGRAM,COMPLETESIMULATIONBOARDLEVELRESULTSKEYWORDSSIGNALINTEGRITY（SI）SISIMULATIONIBISCROSSTALKTRANSMISSIONLINESHYPERLYNXSIMULATION目录1绪论111SI与PI基本原则112信号完整性分析、电源完整性
6、分析简介22SI的仿真与设计321信号完整性分析定义与对象322信号完整性问题423SI的HYPERLYNX仿真133PI仿真与设计2331概述2332电源系统的噪声来源与电容的退耦2433PI的仿真分析274总结与实例32参考文献34谢辞3511绪论11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
7、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
8、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。
9、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。211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。12信号完整性分析、电源完整性分析简介从PCB（PRINTEDCIRCUITBOARD）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
10、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
11、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
12、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。32SI的仿真与设计21信号完整性分析定义与对象信号完整性（SIGNALINTEGRITY）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
13、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
14、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，12V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
15、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4建模，提取必要的参数，计算出接收端得到的信号波形，并对结果进行分析，这就是信号完整性分析。22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
16、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R0Z0RL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
17、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，信号就会在接收端和发射端之间进行反射。5表现形式一般来说，传输线效应的表现形式有反射，过冲，下冲，振铃，和延时，时序错误、串扰，同步开关噪声，电磁干扰以及地弹。设计人员只有了解了传输线效应产生的原因，才能够在实际的设计中采取有效的措施，从而避免上述情况的发生。阻抗匹配阻抗控制和终端匹
18、配时高速电路设计中基本问题，通常每个电路设计中射频部分被认为是最重要的，然而一些比射频更高频率的数字电路设计反而忽视了阻抗和终端匹配。由阻抗不匹配引起的问题可以通过终端电阻降到最小。终端电阻尝试在靠近接收端的信号线上放置一到两个分立器件，简单的做法就是串接小的电阻，终端电阻限制了信号上升的时间及吸收的部分反射的能量，值得注意的是利用阻抗匹配并不能完全消除破坏性因素。然而认真选用合用的器件终端阻抗可以很有效的控制信号的完整性。1串联/源端接串联源端接成本低，增加了延时，功耗小，很好的DC噪声极限，一般大于取1575欧姆中的一个值。2并联端接成本低，延时小，但是功耗高，是一个不得不考虑的问题。3R
19、C端接成本一般，延时小，功耗还行但阻碍带宽同时增加了容性，4戴维南端接本端接使逻辑高与逻辑低和目标负载相符。对COMS需要高功率，所以功耗比较高。5二极管端接本端接除了电阻被二极管代替，以降低功耗外与戴维南端接方法类似，不一样的是二极管不会影响线性阻抗。选择肖特基二极管和高速开关二极管是比较好的选择。它限制了过冲，但却陷入了二极管振铃的深渊。4板层设计与阻抗线分析根据电路板材料的介电常数和所需要的层次设计以及电源地平面的铺设来分析仿真出各信号层信号线在所需阻抗下的线宽。本设计使用了POLARINSTRUMENTS公司的SI6000QUICKSOLVER，仿真出所需的线宽。还需注意带状线，微带线
20、的相应要求。差分走线的阻抗与耦合程度也是求阻抗线时要考虑的因素，优点是当传输信号通过噪声环境时，可以减少信号噪声，提高系统的EMI特性；当需要传输的信号为低电压时，因为传输线损可能让接受端无法接受到正确有效的信号，这时用差分线可以解决；也可以防止地弹。这款软件处理这些因素都相当好。下图用POLARSI6000软件进行线宽28M阻6抗结果为五十欧姆（线厚0035MM，介电常数46，板厚16MM）。图2仿真图3单端阻抗图4差分线及阻抗7信号的反射、串扰耦合和EMI的分析如下（1）反射对于数字信号的方波而言，含有丰富的高频谐波分量，边沿越陡峭，高频成分越多。而PCB上的走线对于高频信号而言相当于传输
21、线，信号在传输线中传播时，如果遇到特性阻抗不连续，就会发生反射。反射可能发生在传输线的末端，拐角，过孔，元件引脚，线宽变化，T型引线等处。总之，无论什么原因引起了传输线的阻抗发生突变，就会有部分信号沿传输线反射回源端。反射形成机理很复杂，这包含了很多电磁领域的复杂的知识，本文不准备深入讨论，如果你真的很想知道，可以给我留言，我专门讲解。工程中重要的是反射量的大小。表征这一现象的最好的量化方法就是使用反射系数。反射系数是指反射信号与入射信号幅值之比，其大小为Z2Z1/Z2Z1。Z1是第一个区域的特性阻抗，Z2是第二个区域的特性阻抗。当信号从第一个区域传输到第二个区域时，交界处发生阻抗突变，因而形
22、成反射。举个例子看看反射能有多大，假设Z150欧姆，Z275欧姆，根据公式得到反射系数为（7550）/（7550）20。如果入射信号幅度是33V，反射电压达到了3320066V。对于数字信号而言，这是一个很大的值。你必须非常注意他的影响。实际电路板上的反射可能非常复杂，反射回来的信号还会再次反射回去，方向与发射信号相同，到达阻抗突变处又再次反射回源端，从而形成多次反射，一般的资料上都用反弹图来表示。多次的反弹是导致信号振铃的根本原因，相当于在信号上叠加了一个噪声。为了电路板能正确工作，你必须想办法控制这个噪声的大小，噪声预算是设计高性能电路板的一个非常重要的步骤。在进行PCB布线时，经常会发生
23、这样的情况走线通过某一区域时，由于该区域布线空间有限，不得不使用更细的线条，通过这一区域后，线条再恢复原来的宽度。走线宽度变化会引起阻抗变化，因此发生反射，对信号产生影响。那么什么情况下可以忽略这一影响，又在什么情况下我们必须考虑它的影响有三个因素和这一影响有关阻抗变化的大小、信号上升时间、窄线条上信号的时延。首先讨论阻抗变化的大小。很多电路的设计要求反射噪声小于电压摆幅的5（这和信号上的噪声预算有关），根据反射系数公式8可以计算出阻抗大致的变化率要求为101/ZZ。电路板上阻抗的典型指标为/10，根本原因就在这。如果阻抗变化只发生一次，例如线宽从8MIL变到6MIL后，一直保持6MIL宽度这
24、种情况，要达到突变处信号反射噪声不超过电压摆幅的5这一噪声预算要求，阻抗变化必须小于10。这有时很难做到，以FR4板材上微带线的情况为例，我们计算一下。如果线宽8MIL，线条和参考平面之间的厚度为4MIL，特性阻抗为465欧姆。线宽变化到6MIL后特性阻抗变成542欧姆，阻抗变化率达到了20。反射信号的幅度必然超标。至于对信号造成多大影响，还和信号上升时间和驱动端到反射点处信号的时延有关。但至少这是一个潜在的问题点。幸运的是这时可以通过阻抗匹配端接解决问题。如果阻抗变化发生两次，例如线宽从8MIL变到6MIL后，拉出2CM后又变回8MIL。那么在2CM长6MIL宽线条的两个端点处都会发生反射，
25、一次是阻抗变大，发生正反射，接着阻抗变小，发生负反射。如果两次反射间隔时间足够短，两次反射就有可能相互抵消，从而减小影响。假设传输信号为1V，第一次正反射有02V被反射，12V继续向前传输，第二次反射有0212024V被反射回。再假设6MIL线长度极短，两次反射几乎同时发生，那么总的反射电压只有004V，小于5这一噪声预算要求。因此，这种反射是否影响信号，有多大影响，和阻抗变化处的时延以及信号上升时间有关。研究及实验表明，只要阻抗变化处的时延小于信号上升时间的20，反射信号就不会造成问题。如果信号上升时间为1NS，那么阻抗变化处的时延小于02NS对应12英寸，反射就不会产生问题。也就是说，对于
26、本例情况，6MIL宽走线的长度只要小于3CM就不会有问题。当PCB走线线宽发生变化时，要根据实际情况仔细分析，是否造成影响。需要关注的参数有三个阻抗变化有多大、信号上升时间是多少、线宽变化的颈状部分有多长。根据上面的方法大致估算一下，适当留出一定的余量。如果可能的话，尽量让减小颈状部分长度。需要指出的是，实际的PCB加工中，参数不可能像理论中那样精确，理论能对我们的设计提供指导，但不能照搬照抄，不能教条，毕竟这是一门实践的科学。9估算出的值要根据实际情况做适当的修订，再应用到设计中。如果感觉经验不足，那就先保守点，然后在根据制造成本适当调整。（2）串扰耦合在高速电路中信号的频率的变高、边沿变陡
27、、电路板的尺寸变小、布线的密度变大，这些因素使得在高速数字电路的设计中，信号完整性问题越来越突出，其已经成为高速电路设计工程师不可避免的问题。串扰是指有害信号从一个网络转移到另一个网络，它是信号完整性问题中一个重要问题，在数字设计中普遍存在，有可能出现在芯片、PCB板、连接器、芯片封装和连接器电缆等器件上。如果串扰超过一定的限度就会引起电路的误触发，导致系统无法正常工作。因此了解串扰问题产生的机理并掌握解决串扰的设计方法，对于工程师来说是相当重要的。1串扰问题产生的机理串扰是信号在传输线上传播时，由于电磁耦合而在相邻的传输线上产生不期望的电压或电流噪声干扰，信号线的边缘场效应是导致串扰产生的根
28、本原因。为了便于分析，下面介绍几个有关的概念。如图1所示，假设位于A点的驱动器是干扰源，而位于D点的接受器为被干扰对象，那么驱动器A所在的传输线被称之为干扰源网络或侵害网络AGREESSOR，相应的接收器D所在的传输线网络被称之为静态网络或受害网络。静态网络靠近干扰源一端的串扰称为近端串扰也称后向串扰，而远离干扰源一端的串扰称为远端串扰或称前向串扰。由于产生的原因不同将串扰可分为容性耦合串扰和感性耦合串扰两类。错误图5两条传输线的耦合容性耦合机制当干扰线上有信号传输时，由于信号边沿电压的变化，在信号边沿附近的区域，干扰线上的分布电容会感应出时变的电场，而受害线处于这个电场里面，所以变化的电场会
29、在受害线上产生感应电流。可以把信号的边沿看成是沿干扰线移动的电流10源，在它移动的过程中，通过电容耦合不断地在受害线上产生电流噪声。由于在受害线上每个方向的阻抗都是相同的，所以50的容性耦合电流流向近端而另5096则传向远端。此外，容性耦合电流的流向都是从信号路径到返回路径的，所以向近端和远端传播的耦合电流都是正向的。对于近端容性耦合串扰，随着驱动器输出信号出现上升沿脉冲，流向近端的电流将从零开始迅速增加，当边沿输入了一个饱和长度以后，近端电流将达到一个固定值。另外，流向近端的耦合电流将以恒定的速度源源不断地流向近端，当上升沿到达干扰线的接收端，此上升沿会被接受吸收，不再产生耦合电流信号，但是
30、受害线上还有后向电流流向受害线的近端，所以近端的耦合电流将持续两倍的传输延迟。对于远端容性耦合串扰，由于信号的边沿可看成是移动的电流源，它将在边沿的附近区域产生经互容流进受害线的耦合电流，而产生的耦合电流将有50与干扰线上的信号同向而且速度相同地流人远端，因此随着干扰线上信号的传输，在受害线上将不断地产生的前向耦合电流而且和已经存在的前向耦合电流不断地叠加，并一同传向远端。由于串扰只在信号的边沿附近区域产生，流向远端的耦合电流的持续时间等于信号的跃变时间。具体的容性耦合如图6所示。图6前向传播和后向传播的互容耦合感性耦合机制当信号在于扰线上传播时，由于信号电流的变化，在信号跃变的附近区域，通过
31、分布电感的作用将产生时变的磁场，变化的磁场在受害线上将感应出噪声电压，进而形成感性的耦合电流，并分别向近端和远端传播。与容性耦合电流不一样的是，感性耦合电流的方向与干扰线上信号传播的方向是反向的，向近端传输时，电流回路是从信号路径到返回路径，而向远端传输时，电流回路则是从返回路径到信号路径。11对于近端感性耦合串扰，其特征与近端容性耦合串扰非常相似，也是从零开始迅速增加，当传输长度大于等于饱和长度以后，将稳定在一个固定值，持续时间是两倍的传输延迟。因为流向近端的感性耦合电流与容性耦合电流同向，所以两者将叠加在一起。对于远端感性耦合串扰，感性耦合噪声与干扰线上信号边沿的传播速度相同，而且在每一步
32、将会耦合出越来越多的噪声电流，持续的时间等于信号跃变的时间。但是由于电流流向与远端容性耦合电流是反向的，所以到达受害线远端接收器的耦合电流是两者之差。具体的感性耦合如图7所示。图7前向和后向传播的互感耦合互感和互容的混合效应一般地，在完整的地平面上，容性和感性的耦合产生的串扰电压大小相等，因此远端串扰的总噪声由于容性和感性耦合的极性不一样而相互抵消。在带状线电路更能够显示两者之间很好的平衡，其远端耦合系数极小，但是对于微带线路，由于与串扰相关的电场大部分穿过的是空气，而不是其他的绝缘材料，因此容性串扰比感性串扰小，导致其远端串扰系数是一个小的负数。2解决串扰的方法串扰在电子产品的设计中普遍存在
33、，通过以上的分析与仿真，了解了串扰的特性，总结出以下减少串扰的方法1在情况允许的情况下，尽量增大走线之间的距离，减小平行走线的长度，必要时采用JOG方式走线。2在确保信号时序的情况下，尽可能地选择上升沿和下降沿速度更慢的器件，使电场和磁场变化的速度变慢，从而降低串扰。3在设计走线时，应该尽量使导体靠近地平面或电源平面。这样可以使信号路径与地平面紧密的耦合，减少对相邻信号线的干扰。124在布线空间允许的条件下，在串扰较严重的两条信号线之间插入一条地线，可以减小两条信号线间的耦合，进而减小串扰。3EMI、EMC随着当今数字化时代的发展，大部分电子设备工作频率基本上都在100MHZ以上，串行输出接口
34、的速率也越来越趋近GBPS级别，而且它们常常必须与其它电子设备同时在一个很狭窄的空间下工作，这使得电磁兼容问题变得非常突出，目前几乎所有重要的电子设备都必须通过电磁干扰和电磁兼容EMI/EMC测试。如果无法通过这种测试，那么这一产品是不可能准许进入市场的。为了不致影响产品的上市周期，EMI/EMC指标和产品性能指标一样都已成为衡量一个设计成功与否的标志。而EMI/EMC问题的解决决不是简单地在外部做一些屏蔽措施就可搞定的，它是一个系统性的问题，与器件选择、电路设计、PCB布局和布线、以及I/O接口的选择都有很大的关系，因此必须从原理图设计开始就要考虑EMI/EMC问题的解决办法。器件的选择主要
35、应考虑优先选用工作电流、泄漏电流、纹波电流、纹波电压、功耗和工作电压低的器件，电路设计主要应考虑电源电路、高压和高频电路、以及输入/输出电路的匹配、同步、驱动和均衡，这部分比较复杂，主要取决于设计师的经验和水平，这里不作多表。PCB是系统中主要的辐射源，控制系统中所有的PCB的EMI辐射、提高系统搞干扰的能力是确保产品通过EMC测试的最好方法。首先要认识到的是，PCB的布局是很重要的，必须注意把高压和高频部分与低压和低频电路部分在PCB上分割开来，必要时可能还要在PCB上开一些沟槽以加强屏蔽效果。其次，PCB的布线是产生EMI问题的主要来源，尤其是当今随着PCB板空间的越来越小和层数的越来越多
36、，越来越多的高频信号线和电源线如何很好地避免相互干扰变成了一个非常棘手的问题。现有的一些EMC仿真分析工具可以帮助PCB设计工程师解决一些EMI的问题，不过，目前并没有一种能完全并准确地仿真EMI效果的工具，这主要是因为PCB各种过孔的阻抗受工艺和材料的影响非常大，现有的仿真分析工具没有办法对它进行精确的传输线效应分析。尽管目前市场上出现了一些易于使用的基于EMC设计规则检查的EMI/EMC仿真分析工具，如CADENCE的EMCONTROL和ZUKEN的EMCADVISER，但它们只能帮助PCB设计师发现和解决PCB实际布线时产生的EMI问题，而不可能从根本上解决PCB布线的EMC问题。13要
37、想从根本上解决这一问题，必须对PCB的布线有一个更深入的了解。PCB上的噪声源是多种多样的，如信号噪声反射和串扰等、电源/地噪声、以及天线悬空线等等，为了确保减少PCB的EMI，这些信号的、器件的、电源/地平面的以及天线的噪声源都必须加以考虑。考虑到信号噪声源是信号完整性SI问题、电源/地噪声源是电源完整性PI问题，因此最终的EMC问题的解决必须依靠正确的SI、PI和EMI的共同设计，而不仅仅只是考虑EMC的问题。目前业界主要的SI和PI仿真分析工具有CADENCE的PCBSI230/630、MENTOR的HYPERLYNX和ZUKEN的HOTSTAGE。I/O接口特别是高速串行接口也是产生E
38、MI/EMC问题的一个主要辐射源，尽管我们可以采取一些外部屏蔽措施和滤波/匹配等电路设计补救措施，但最根本的办法是彻底消除辐射大量干扰的输入/输出器件如功放和收发器等和连接电缆。值得庆幸的是，随着柔性PCB板材料、设计和制造技术的进步，这一方法现在是完全可行的。现在ZUKEN的从PCB设计到制造一体化解决方案CR5000可以支持用柔性PCB板来连接两块不同层数的PCB硬板，柔性PCB板的应用不仅可省掉EMI辐射较大的I/O端口和器件，而且可提高全系统的可靠性和节省系统的BOM成本。23SI的HYPERLYNX仿真HYPERLYNX包括前仿真工具LINESIM和后仿真工具BOARDSIM。LIN
39、ESIM是用来原理图仿真，BOARDSIM可以用来PCB板级仿真。HYPERLYNX能仿真的范围包括信号完整性（SIGNALINTEGRITY），串扰CROSSTALK和电磁兼容EMC。1使用LINESIM进行布线前仿真一个简单的模型如图包含一个驱动器，传输线和接收器。如何实现阻抗匹配，才能保证没有反射，振铃现象通过信号完整行理论我们知道要保持传输线一致的阻抗，如50欧姆，如果阻抗不匹配怎么样才能通过端接的方法改善波形往往实际上理论计算不能完全的解决问题，实际的仿真能快速直观的得出结果。14图8传输模式本节先运行一个实例FILEOPENLINESIMSCHEMATIC打开HYPERLYNX自带
40、的实例CLOCKTLN如下图图中的74AC11X为驱动器，通过传输线后接2个74HCXX门电路。图9实例图SIMULATERUNINTERACTIVESIMULATIONOSCILLOSCOPE打开仿真界面，设置DRIVEWAVEFORM为OSCILLATOR，频率为55MHZ，水平刻度HORIZONTALSCALE设置为5NS/DIV,然后运行得如下结果15图10仿真结果A1和A2出波形过冲太大，反射导致A0出波形也畸变。这一节通过端接的方法来改善波形。在CELLA2处通过鼠标激活端接电阻和电容，然后把值分别设置为50欧姆和150PF。16图11仿真实例图再次运行SIMULATERUNINT
41、ERACTIVESIMULATIONOSCILLOSCOPE。17图12振铃仿真图在加入了端接电路之后A0,A1和A2处的波形过冲消除，有较大的改善。振铃仿真图中的CGS74CT2524为OUTPUT，74HCXX为INPUT，它们都有各自的IBIS模型。源端的端接电阻RS为0欧姆，传输线为50欧姆。图13仿真实例图18先运行仿真一次，ICMODEL的速度选为TYPICAL，它表示上升下降沿的速率。FASTSTRONG最快，SLOWWEAK最慢。运行之后的结果如下，图中红色的波形为输入端74HCXX的下降沿，振铃比较的大图14运行结果修改源端端接电阻改善波形的方法HYPERLYNX带有智能端接
42、分析的功能，菜单WIZARDSRUNTERMINATORWIZARD运行之后，给出了推荐的电阻值281欧姆。19图15运行界面设置完成之后RS的阻值已经改变了。图16仿真实例图再次运行仿真，结果如下，终端的振铃显著减小。20图17运行结果2使用BOARDSIM进行布线后仿真下面介绍实例板的L2CACHE总线工作频率200MHZ，60X总线工作频率100MHZ，是板上工作频率最高的部分。依据MPC755、MPC107、POWERSPAN的芯片手册，阻抗在50OHM70OHM之内比较合适，按前面层叠结构的设计，5MIL的信号线宽是可以保证阻抗要求的。因为板上这两个总线的负载最多为2个负载，且这几个
43、芯片之间的距离很近，相关的PCB走线很短，所以信号时序关系一般能够满足要求（尽管其工作频率很高）。下面给出L2CACHE总线上典型时钟线、地址线以及数据线的PCB走线图以及在HYPERLYNX仿真软件的BOARDSIM工具下的仿真波形。MPC755、MPC107、POWERSPAN和GVT71128芯片的IBIS模型均来自于芯片厂商（MOTOROLA、TUNDRA和GALVENTECH）。U20N15MPC755为驱动端，U2289GVT71128为接收端。L2CACHE时钟线“CLKOUTA”的PCB走线及仿真波形21图18仿真波形U20J13MPC755为驱动端，U2148和U2248GV
44、T71128为接收端。L2CACHE地址线“L2ADDR14”的PCB走线及仿真波形图19仿真波形U20P18MPC755为驱动端，U2229GVT71128为接收端。L2CACHE数据线“L2DATA23”的PCB走线及仿真波形图20仿真波形223总结从上面的信号仿真波形就可以看出，通过设计合理的层叠结构、传输线阻抗、阻抗匹配以及布线拓扑结构，对于几百兆赫兹的信号而言一般都不会存在信号完整性问题。因为传输线存在传输延迟，对高速信号，特别是总线信号而言，满足信号的时序关系是至关重要的。如果时序关系有问题，信号质量再好也没用。根据总线信号时序要求和芯片数据手册，事先要计算设计各种信号线的合理长度
45、范围，PCB布局布线时以计算好的信号长度为依据，合理控制时钟线、控制信号线以及地址数据线的走线长度，PCB布线完成后最后再次计算验证时序关系是否满足。信号完整性和满足时序关系是逻辑电路功能物理实现的必要保证。233PI（电源完整性分析）仿真与设计31概述电源完整性是指特定电源与理想状态的接近程度，具体取决于电源的自然特性。对于家用设备电源来说，主要是电源电压幅度和频率，即不管附近的负载和用电限制如何变化，电压幅度和频率能够保持稳定的程度。PCB设计的复杂程度越来越高，稳定可靠地供电电源成为保障系统稳定工作的必须条件。当开关器件数目不断增加，核心电压不断减小的时候，电源的波动往往会给系统带来致命
46、的影响。电源完整性，简称PI（POWERINTEGRITY）从广义上说，PI属于系统完整性（SI）研究范畴之内的，而新一代的信号完整性分析必须建立在可靠地电源完整性基础之上。虽然电源完整性主要是讨论电源供给的稳定性问题，但由于地在实际系统中总是和电源密不可分的，通常把如何减少地平面的噪声也作为电源完整性中的一部分进行讨论。芯片内部有成千上万个晶体管，这些晶体管组成内部的门电路、组合逻辑、寄存器、计数器、延迟线、状态机、以及其他逻辑功能。随着芯片的集成度越来越高，内部晶体管数量越来越大。芯片的外部引脚数量有限，为每一个晶体管提供单独的供电引脚是不现实的。芯片的外部电源引脚提供给内部晶体管一个公共
47、的供电节点，因此内部晶体管状态的转换必然引起电源噪声在芯片内部的传递。对内部各个晶体管的操作通常由内核时钟或片内外设时钟同步，但是由于内部延时的差别，各个晶体管的状态转换不可能是严格同步的，当某些晶体管已经完成了状态转换，另一些晶体管可能仍处于转换过程中。芯片内部处于高电平的门电路会把电源噪声传递到其他门电路的输入部分。如果接受电源噪声的门电路此时处于电平转换的不定态区域，那么电源噪声可能会被放大，并在门电路的输出端产生矩形脉冲干扰，进而引起电路的逻辑错误。芯片外部电源引脚处的噪声通过内部门电路的传播，还可能会触发内部寄存器产生状态转换。除了对芯片本身工作状态产生影响外，电源噪声还会对其他部分
48、产生影响。比如电源噪声会影响晶振、PLL、DLL的抖动特性，AD转换电路的转换精度等。由于最终产品工作温度的变化以及生产过程中产生的不一致性，如果是由于电源系统产生的问题，电路将非常难调试，因此最好在电路设计之初就遵循某种成熟的设计规则，使电源系统更加稳健。2432电源系统的噪声来源与电容的退耦电源系统的噪声来源有三个方面第一，稳压电源芯片本身的输出并不是恒定的，会有一定的波纹。这是由稳压芯片自身决定的，一旦选好了稳压电源芯片，对这部分噪声我们只能接受，无法控制。第二，稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化。稳压电源芯片通过感知其输出电压的变化，调整其输出电流，从而把输出电压调整回额定
49、输出值。多数常用的稳压源调整电压的时间在毫秒到微秒量级。因此，对于负载电流变化频率在直流到几百KHZ之间时，稳压源可以很好的做出调整，保持输出电压的稳定。当负载瞬态电流变化频率超出这一范围时，稳压源的电压输出会出现跌落，从而产生电源噪声。现在，微处理器的内核及外设的时钟频率已经超过了600兆赫兹，内部晶体管电平转换时间下降到800皮秒以下。这要求电源分配系统必须在直流到1GHZ范围内都能快速响应负载电流的变化，但现有稳压电源芯片不可能满足这一苛刻要求。我们只能用其他方法补偿稳压源这一不足，这涉及到后面要讲的电源去耦。第三，负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗上产生的压降。PCB板上任何电气路径不可避免的会存在阻抗，不论是完整的电源平面还是电源引线。对于多层板，通常提供一个完整的电源平面和地平面，稳压电源输出首先接入电源平面，供电电流流经电源平面，到达负载电源引脚。地路径和电源路径类似，只不过电流路径变成了地平面。完整平面的阻抗很低，但确实存在。如果不使用平面而使用引线，那么路径上的阻抗会更高。另外，引脚及焊盘本身也会有寄生电感存在，瞬态电流流经此路径必然产生压降，因此负载芯片电源引脚处的电压会随着瞬态电流的变化而波动，这就是阻抗产生的电源噪声。在电源路径表现为负载芯片电源引脚处的电压轨道塌陷，在地路径表现为负载芯片地引脚处的电位和参考地电位不同（注意，这和地
