信號完整性與電源完整性的仿真分析與設(shè)計(jì)
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一個典型背板信號傳輸?shù)南到y(tǒng)示意圖如圖1所示。本文中系統(tǒng)一詞包含信號傳輸所需的所有相關(guān)硬件及軟件，包括芯片、封裝與PCB板的物理結(jié)構(gòu)，電源及電源傳輸網(wǎng)絡(luò)，所有相關(guān)電路實(shí)現(xiàn)以及信號通信所需的協(xié)議等。在設(shè)計(jì)時，需要硬件提供可制作的支撐及電信號有源/無源互聯(lián)結(jié)構(gòu)；需要軟件提供信號傳遞的傳輸協(xié)議以及數(shù)據(jù)內(nèi)容。但是，由于這些支撐與互聯(lián)結(jié)構(gòu)會對電信號的傳輸呈現(xiàn)出一定的頻率選擇性衰減，因此，會對信號及電源的完整性產(chǎn)生影響。同時，在相同的傳輸環(huán)境下，不同傳輸協(xié)議及不同數(shù)據(jù)內(nèi)容的表達(dá)方式具有不同的適應(yīng)能力，因此，需要進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際的傳輸環(huán)境來選擇或優(yōu)化可行的傳輸協(xié)議及數(shù)據(jù)內(nèi)容表達(dá)方式?！?br />
圖1 背板信號傳輸?shù)南到y(tǒng)示意圖
版圖完整性問題、分析與設(shè)計(jì)
上述背板系統(tǒng)中的硬件支撐及無源互聯(lián)結(jié)構(gòu)基本上都在一種層疊平板結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)。這種層疊平板結(jié)構(gòu)可以由3類元素組成：正片結(jié)構(gòu)、負(fù)片結(jié)構(gòu)及通孔。正片結(jié)構(gòu)有時也被稱為信號層，該層上的走線大多為不同邏輯連接的信號線或離散的電源線，在制版光刻中所有的走線都會以相同圖形的方式出現(xiàn)；負(fù)片結(jié)構(gòu)有時也被稱為平面層(細(xì)分為電源平面層和地平面層)，該層上基本是相同邏輯的一個或少數(shù)幾個連接(通常是電源連接或地連接)，用大面積敷銅的方式實(shí)現(xiàn)，在光刻工藝中用相反圖形來表示；通孔用來進(jìn)行不同層之間的物理連接。目前的制造工藝中，芯片、封裝以及PCB板大多都是在類似結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的。
版圖完整性設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于為系統(tǒng)提供足夠好的信號通路以及電源傳遞網(wǎng)絡(luò)。電流密度分布對于版圖完整性設(shè)計(jì)與分析有著重要的意義，這是因?yàn)殡娏髅芏瓤梢灾庇^地顯示信號的寄生耦合位置以及強(qiáng)度，從而幫助版圖調(diào)試者有針對性地采取耦合或解耦方案。
對于信號完整性來說，首要任務(wù)是保證信號通路在一定負(fù)載情況下呈現(xiàn)良好的匹配狀況，同時避免寄生耦合改變已設(shè)計(jì)好的匹配狀況。利用電磁場仿真不但可以準(zhǔn)確地計(jì)算實(shí)際版圖結(jié)構(gòu)中信號通路的匹配狀況，也可以計(jì)算信號通路周圍結(jié)構(gòu)帶來的寄生耦合(如果周圍是信號線則通常被稱為串?dāng)_)，其強(qiáng)度可以直接表示為周圍走線或平面上感應(yīng)所產(chǎn)生的電流密度，從而有助于優(yōu)化版圖結(jié)構(gòu)。除改變線距外，改變周圍其它電磁回路環(huán)境也會導(dǎo)致信號傳輸及串?dāng)_狀況的變化。比如，利用層與層之間的屏蔽可以改善原本放在頂層的走線信號傳輸或串?dāng)_性能。
對于電源完整性來說，增加電源與地之間的容性耦合可以濾除電源中的交流波動。在實(shí)際應(yīng)用中，往往采取加解耦電容的方法。電流密度的動態(tài)顯示可以幫助設(shè)計(jì)者直觀了解到電源網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象的原因。從而幫助設(shè)計(jì)者確定加解耦電容的最佳位置。
圖2中模擬了一種簡單的電源傳遞網(wǎng)絡(luò)，電源平面和地平面是規(guī)整的矩形，這有助于定性地驗(yàn)證電磁場仿真結(jié)果。工作器件與供電電源分別連接在矩形的兩個對角上。假設(shè)工作器件對于該供電網(wǎng)絡(luò)的阻抗為20。利用電磁場仿真可以觀察電流從端口1流入，經(jīng)過該電源傳遞網(wǎng)絡(luò)再從端口2流出的損耗狀況。
圖2 簡單的電源傳遞網(wǎng)絡(luò)仿真
仿真中用一個過孔在電源連接處短接電源平面與地平面來模擬接上電源的情況(假設(shè)電源內(nèi)阻很小可以忽略)。由仿真結(jié)果可知此電源傳遞網(wǎng)絡(luò)在1GHz頻段內(nèi)出現(xiàn)了3個主要諧振區(qū)域，分別在200MHz、500MHz以及1GHz附近。諧振區(qū)域的存在對于電源完整性會產(chǎn)生一定的影響：如果工作器件(以典型的CMOS器件為例)在諧振頻點(diǎn)上工作，會產(chǎn)生同樣頻點(diǎn)的電源電流需求，但是，由于存在諧振，從供電電源端到器件電源輸入端就會產(chǎn)生明顯的壓降，從而使工作器件上實(shí)際的工作電壓達(dá)不到預(yù)期值，導(dǎo)致器件性能惡化，甚至無法正常工作。解決上述問題的常用方法是加解耦電容，使電源網(wǎng)絡(luò)的諧振區(qū)遠(yuǎn)離器件的工作頻率。通過電流密度分布的顯示可以了解振蕩原因，從而采取針對性方法。對上述電源網(wǎng)絡(luò)來說，可以加一個過孔來模擬解耦電容，并通過改變過孔的位置來觀察諧振模式及諧振點(diǎn)的變化，從而找到放置解耦電容的最佳位置。
電路完整性設(shè)計(jì)與分析
從TTL、GTL 到HSTL、SSTL以及 LVDS，目前芯片接口物理標(biāo)準(zhǔn)的演變反映了集成電路工藝的不斷進(jìn)步，同時也反映了高速信號傳輸要求的不斷提高。從版圖完整性的分析過程可知，只有結(jié)合了互聯(lián)結(jié)構(gòu)兩端負(fù)載特性的仿真結(jié)果才具有實(shí)際意義，而負(fù)載特性是由其連接的電路特性所決定的，因此，在完整性設(shè)計(jì)中，了解這些接口標(biāo)準(zhǔn)是非常必要的。隨著傳輸速率的不斷增加，翻轉(zhuǎn)速率控制電路、驅(qū)動負(fù)載控制電路被廣泛使用，它們?yōu)橥暾栽O(shè)計(jì)者提供了更多的優(yōu)化空間。在具體的完整性分析中，電路設(shè)計(jì)者需要考慮這些控制的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式，因?yàn)樗鼈儠绊懙诫娐返呢?fù)載特性以及波形性能。另外，還需考慮芯片上解耦電容的實(shí)現(xiàn)。
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