高速設計中的信號完整性和電源完整性分析

引言：信號完整性和電源完整性是兩種不同但領域相關的分析，涉及數(shù)字電路正確操作。在信號完整性中，重點是確保傳輸?shù)?在接收器中看起來就像 1(對0同樣如此)。在電源完整性中，重點是確保為驅(qū)動器和接收器提供足夠的電流以發(fā)送和接收1和0。因此，電源完整性可能會被認為是信號完整性的一個組成部分。實際上，它們都是關于數(shù)字電路正確模擬操作的分析。

信號完整性(SI)和電源完整性(PI)是兩種不同但領域相關的分析，涉及數(shù)字電路正確操作。在信號完整性中，重點是確保傳輸?shù)?在接收器中看起來就像 1(對0同樣如此)。在電源完整性中，重點是確保為驅(qū)動器和接收器提供足夠的電流以發(fā)送和接收1和0。因此，電源完整性可能會被認為是信號完整性的一個組成部分。實際上，它們都是關于數(shù)字電路正確模擬操作的分析。

分析的必要性

如果計算資源是無限的，這些不同類型的分析可能不存在。整個電路將會被分析一次，而電路某一部分中的問題將會被識別并消除。但除了受實際上可仿真哪些事物的現(xiàn)實束縛之外，具有不同領域分析的優(yōu)點在于，可成組解決特定問題，而無需歸類為“可能出錯的任何事物”。在信號完整性中，例如，重點是從發(fā)射器到接收器的鏈路?？蓛H為發(fā)射器和接收器以及中間的一切事物創(chuàng)建模型。這使得仿真信號完整性變得相當簡單。另一方面，要仿真電源完整性可能有點困難，因為“邊界”有點不太明確，且實際上對信號完整性領域中的項目具有一定的依賴性。

在信號完整性中，目標是消除關于信號質(zhì)量、串擾和定時的問題。所有這些類型的分析都需要相同類型的模型。它們包括驅(qū)動器和接收器、芯片封裝及電路板互連(由走線及過孔、分立器件和/或連接器組成)的模型。驅(qū)動器和接收器模型包括關于緩沖器阻抗、翻轉(zhuǎn)率和電壓擺幅的信息。通常，IBIS 或 SPICE 模型用作緩沖器模型。這些模型與互連模型結(jié)合使用來運行仿真，從而確定接收器中的信號情況。

互連將主要包括行為類似于傳輸線的電路板走線。此類傳輸線具有阻抗、延遲和損耗特性。它們的特性決定了所連接的驅(qū)動器和接收器與彼此進行交互的方式?；ミB的電磁特性必須使用某種類型的場求解器進行求解，該場求解器通過可與信號完整性仿真器結(jié)合使用的電路元件或 S 參數(shù)模型來描述其特征。大多數(shù)走線均可建模為一個均勻的二維橫截面。該橫截面足以計算走線的阻抗特性。阻抗將會影響信號線上接收器中的波形形狀。最基本的信號完整性分析包括設置電路板疊層(包括適當?shù)慕殡妼雍穸?，以及查找正確的走線寬度，以實現(xiàn)一定的走線目標阻抗。

與過孔相比，對走線進行建模會相對比較容易。當對較快的信號進行信號完整性分析時，適當?shù)倪^孔建模就變得非常重要。通常，千兆位信號需要通過三維場求解器對模型特征進行適當?shù)孛枋?。幸運的是，這些信號往往是不同的，這使它們的影響相對局部化。穿過過孔的快速、單端信號與配電網(wǎng)絡(PDN)進行強有力地交互。從這些過孔返回的電流穿過附近的縫合孔、縫合電容器和/或平面對(組成PDN且需要建模以進行電源完整性分析的相同元器件)。

圖1：在走線橫截面、信號過孔和 PDN 上的能量傳播。

在電源完整性分析中，較高頻率的能量分布在整個傳輸平面上。這立即使此分析比基本信號完整性更復雜，因為能量將沿x和y方向移動，而不是僅沿傳輸線一個方向移動。在直流中，建模需要計算走線的串聯(lián)電阻、平面形狀和過孔相對較為簡單。但是對于高頻率，分析PDN的不同位置上電源與地面之間的阻抗需要復雜的計算。阻抗將根據(jù)電路板的位置(電容器的放置位置、安裝方式、類型及電容值)而異。高頻行為(如安裝電感和平面擴散電感)需要包括在建模中，以便生成準確的去耦分析結(jié)果。存在簡單版本的去耦分析(通常稱為集總分析)，在此分析中，會將PDN視為一個節(jié)點來計算其阻抗。這通常是可一次性成功的有效而快速的初步分析，可確保有足夠的電容器且它們具有正確的值。然后，運行分布式去耦分析可確保在電路板的不同位置滿足PDN的所有阻抗需求。

信號完整性仿真

信號完整性仿真重點分析有關高速信號的3個主要問題：信號質(zhì)量、串擾和時序。對于信號質(zhì)量，目標是獲取具有明確的邊緣，且沒有過度過沖和下沖的信號。通常，可以通過添加某種類型的端接以使驅(qū)動器的阻抗與傳輸線的阻抗相匹配來解決這些問題。對于多點分支總線，并非總能匹配阻抗，因此，需要將端接和拓撲的長度變化相結(jié)合來控制反射，使得它們不會對信號質(zhì)量和時序產(chǎn)生不利影響。

圖2：使用信號完整性分析和設計空間探索消除信號質(zhì)量和串擾問題。

可以運行這些相同的仿真，以確定信號經(jīng)過電路板時的傳輸時間。電路板時序是系統(tǒng)時序的一個重要組成部分，并受線路長度、其在經(jīng)過電路板時的傳播速度以及接收器中波形形狀的影響。由于波形的形狀確定了接收的信號穿越邏輯閾值的時間，因此，它對于時序來說是非常重要的。這些仿真通常會驅(qū)動走線長度約束的變化。

通常運行的另一個信號完整性仿真是串擾。這涉及多條相互耦合的傳輸線。隨著走線擠進密集的電路板設計，了解它們正在相互耦合多少能量對于消除因串擾產(chǎn)生的錯誤是非常重要的。這些仿真將推動走線之間的最小間距要求。

電源完整性仿真

在電源完整性分析中，主要仿真類型有直流壓降分析、去耦分析和噪聲分析。直流壓降分析包括對PCB上復雜走線和平面形狀的分析，可用于確定由于銅的電阻將損失多少電壓。此外，還可以使用直流壓降分析來確定高電流密度區(qū)域。實際上，可以使用熱仿真器對它們進行協(xié)同仿真，以查看熱效應。幸運的是，針對直流壓降問題的解決方案非常簡單：添加更多的金屬。這些額外金屬可能會采用更寬和/或更厚的走線和平面形狀、額外平面或額外過孔。

圖3：顯示PI/熱協(xié)同仿真中“熱點”的電流密度和溫度圖。

上面簡要討論的去耦分析旨在確定和最大限度減少電路板不同IC位置上電源與地面之間的阻抗。去耦分析通常會驅(qū)動PDN中所用電容器的值、類型和數(shù)量的變化。因此，它需要包括寄生電感和電阻的電容器模型。它還會驅(qū)動電容器安裝方式的變化和/或電路板疊層的變化，以滿足低阻抗要求。

噪聲分析的類型可能會有所不同。它們可以包括圍繞電路板傳播的、來自IC電源管腳中的噪聲，可通過去耦電容器對其進行控制。通過噪聲分析，可以調(diào)查噪聲如何從一個過孔耦合到另一個過孔，可以對同步開關噪聲進行分析。在許多情況下，這種噪聲是由信號切換(從1到0及從0到1)引起的，因此它與信號完整性密切相關。但在所有情況下，這些電源完整性分析的最終目標是驅(qū)動PDN的變化：電源/地面平面對、走線、電容器和過孔。

表 1. 信號完整性和電源完整性之間的差異

PDN不僅充當為IC提供電流的手段，還用作信號的返回電流路徑。信號完整性與電源完整性之間的大量交叉發(fā)生在過孔中。對于穿過過孔的單端信號來說，PDN充當該信號的返回電流路徑。附近的過孔或電容器為返回電流提供路徑，以使其從一個平面移至下一個平面。因此，PDN實際上決定了該單端過孔的阻抗和延遲特性，并且對于更快的單端信號(如DDR3和DDR4)的精確建模來說是至關重要的。使用這一相同的SI/PI組合過孔模型，可以分析從一個過孔到下一個過孔的耦合，以及信號通過過孔到PDN的耦合。

同樣地，PDN對于最大限度減少可能由多個信號切換(通常稱為SSN)同時引起的噪聲來說是至關重要的。如果在IC電源管腳中的PDN阻抗太高，當所有驅(qū)動器同時切換時，它們的切換電流將產(chǎn)生電壓，而該電壓可在信號本身中觀察到?？赏ㄟ^利用去耦分析設計一個出色的低阻抗PDN來消除此問題。全面仿真此問題以查看對信號的影響，要求能夠同時執(zhí)行信號完整性分析和電源完整性分析。驅(qū)動器的SPICE模型傳統(tǒng)上用于執(zhí)行此類分析，但更新的IBIS模型也具有相應的基礎架構(gòu)，以包括在查找信號完整性時的PDN影響。

信號完整性和電源完整性的分析對于成功的高速數(shù)字設計來說是至關重要的。它們?yōu)樾枰M行哪些設計更改提供了有價值的見解。此外，隨著建模方法和計算能力的改善，如果能夠同時仿真這兩種類型的完整性，則會清楚地了解電路的實際行為、設計中真正存在的利潤以及它們?nèi)绾螌崿F(xiàn)最佳可能性能。

作者簡介

Patrick Carrier在信號及電源完整性領域擁有超過12年的經(jīng)驗。他曾在Dell擔任了5年的信號完整性工程師，之后于2005年9月加入Mentor，成為一名高速PCB分析工具的技術營銷工程師。