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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如圖3所示的電路仿真圖中包括了芯片、封裝及PCB板信號線互聯(lián)及電源互聯(lián)的等效模型。驅(qū)動電路和接收電路采用了IBIS模型(也可以用SPICE模型來替代)。利用該仿真電路，可以觀察到一個虛擬系統(tǒng)工作時(shí)任一點(diǎn)的信號波形或電源波動狀況。信號完整性通常關(guān)心的是時(shí)鐘信號的抖動以及信號波形的上升/下降/保持時(shí)間。將電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真后利用ADS2005A中內(nèi)含的眼圖工具可自動統(tǒng)計(jì)出各抖動分量的值。
電源完整性通常關(guān)心的是工作器件所承受的實(shí)際電源電壓波動，即圖3中的Vchip。在實(shí)際分析中，系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的驗(yàn)證者無法測到芯片內(nèi)部的電源端口，所以無法觀測到芯片端口的電源波動和地彈噪聲，只能發(fā)現(xiàn)封裝外引腳處測得的電源與地是相當(dāng)穩(wěn)定的。但是，最終決定器件正常工作的電源應(yīng)該是定義在芯片端口的，封裝端口的測量結(jié)果并不能反映出此時(shí)的電源完整性狀況。因此，需要芯片廠商提供封裝模型用來對芯片端口處的電源波動及地彈噪聲進(jìn)行仿真。
圖3 簡化電路完整性仿真示意圖
針對上述例子，進(jìn)一步分別考慮在芯片內(nèi)部、封裝內(nèi)部以及PCB板加解耦電容，如圖4所示。用分別掃描解耦電容值的仿真方法來觀察解耦電容對電源完整性的影響。
圖4 仿真解耦電容效用的簡化原理圖
仿真結(jié)果表明，加在PCB板上以及封裝內(nèi)的解耦電容并沒有明顯的作用，在芯片電路設(shè)計(jì)時(shí)增大I/O端口處的電容是最有效的方法。另外，還可以觀察到信號完整性與電源完整性的關(guān)聯(lián)性，改變不同解耦電容值后，不僅影響電源波動及地彈噪聲狀況，信號波形也發(fā)生了變化。對于對控制信號通路抖動要求較高的設(shè)計(jì)來說，還需要同時(shí)考慮電源完整性對抖動的影響。
系統(tǒng)完整性設(shè)計(jì)與分析
系統(tǒng)完整性設(shè)計(jì)與分析的必要性可以用一個簡單的例子來說明。圖2中的簡單電源傳遞網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果顯示，并不是在所有的頻點(diǎn)上都呈現(xiàn)出高阻抗。此時(shí)電源完整性與激勵信號的頻譜直接相關(guān)，如果在進(jìn)行系統(tǒng)測試時(shí)的激勵信號避開3個諧振區(qū)，就不會呈現(xiàn)出高阻抗特性。因此，確定激勵信號的頻譜分布是分析與設(shè)計(jì)的前提。而激勵信號的頻譜分布根本上是由其數(shù)據(jù)內(nèi)容所決定的，最終將歸結(jié)于協(xié)議的設(shè)計(jì)。
另一個更加實(shí)際的例子是目前電腦硬件接口由并行總線到串行總線的發(fā)展趨勢，如從PCI-X到PCI-E以及從ATA到SATA等。其中采用的信源及信道編碼技術(shù)，如時(shí)鐘擴(kuò)頻、預(yù)加重技術(shù)等可以改善信號在特定環(huán)境中的傳輸性能。
結(jié)合信號完整性與電源完整性的定義，對參考端口的選取需要滿足可測性原則，這對于工程實(shí)現(xiàn)或調(diào)試有著直接的意義。但對于設(shè)計(jì)鏈中不同位置上的設(shè)計(jì)者，可測性的含義并不相同。對于芯片設(shè)計(jì)者來說，芯片之間的互聯(lián)結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)特定測試芯片然后利用探針臺進(jìn)行測試；但對于板級設(shè)計(jì)者來說，無法對手中的成品芯片甚至封裝中的互聯(lián)結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行測試。當(dāng)信號完整性的參考端口是定義在信道解碼器輸出處時(shí)，誤碼率的測試是非常重要的。比如，對擴(kuò)頻時(shí)鐘的分析，只有在相關(guān)解調(diào)器的輸出處才能比較信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，測量將會用到誤碼儀，而在無法測試的環(huán)境下只能依賴于誤碼率仿真等方法。
上述的幾種情況都要求在仿真分析中能夠集成考慮協(xié)議算法、電路結(jié)構(gòu)以及互聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響，目前的仿真工具已經(jīng)可以滿足該需求。在針對已有系統(tǒng)的分析中，由于系統(tǒng)完整性分析所包含的因素非常多，再加上協(xié)議建模需要相當(dāng)大的工作量，因此，比較實(shí)用的方法是直接測量協(xié)議碼流(利用邏輯分析儀等儀器)，并將之轉(zhuǎn)入到仿真平臺中作為電路的激勵。這種方法可以準(zhǔn)確再現(xiàn)故障時(shí)的系統(tǒng)應(yīng)用場景，有助于現(xiàn)場調(diào)試故障系統(tǒng)。解決方案如圖5所示。
圖5 結(jié)合測試建模的分析流程
該分析流程同樣也可以用在設(shè)計(jì)流程中，用測試的方法直接獲取待分析接口的協(xié)議數(shù)據(jù)，用于電路設(shè)計(jì)與版圖設(shè)計(jì)的前期驗(yàn)證，但是，在硬件尚未實(shí)現(xiàn)時(shí)，將會用規(guī)范或之前的經(jīng)驗(yàn)值來與仿真結(jié)果比較。
結(jié)語
信號完整性與電源完整性系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的根本需求來自于數(shù)據(jù)傳輸速率的快速增加，從而使得以前微秒(vs)量級的邊沿或保持時(shí)間減少到納秒(ns)甚至皮秒(ps)。如此高的帶寬需求使得僅考慮版圖級的解決方案已經(jīng)很難滿足系統(tǒng)正常工作的需求。另外，集成電路的工藝發(fā)展使得集成度大大提高，芯片上電流密度的急速增加使這個問題更加嚴(yán)重。由此有必要從整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始就考慮信號完整性與電源完整性的問題。
相應(yīng)地，系統(tǒng)化仿真對于仿真工具也提出了新的挑戰(zhàn)，完整的仿真流程、方便的操作手段以及與測量的緊密結(jié)合才能夠快速有效地解決完整性問題。
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