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1、分类号0DC工学硕士学位论文V7 8 9 3 8 4学号0 2 0 6 l0 3 l密级高速P C B 板级信号完整性问题研究硕士生姓名胡海欣学科专业计算机科学与技术研究方向计算机应用技术指导教师曹跃胜副研究员国防科学技术大学研究生院二0 0 4 年十一月国防科学技术大学研究生院学位论文摘要电子设计领域的快速发展，使得由集成电路构成的电子系统朝着大规模、小体积和高速度的方向发展。随着芯片的体积越来越小电路的开关速度越来越快，P C B 的密度越来越大，以及信号的工作频率越来越高，如何正确处理板级信号完整性问题已经成为高速P C B设计能否成功的关键。课题首先介绍了传输线的类型和P C B 的基
2、本结构，分析了P C B 结构对信号传输性能的影响。课题重点研究了板级信号完整性的关键技术一端接和串扰。在高速数字系统设计中，端接的好坏决定了系统的成败，本文仔细研究了端接技术的原理、类型以及各种端接方式的适用范围：针对高速P C B 中普遍存在的串扰问题，仔细分析了串扰产生的原因和造成的危害，总结了一些减小串扰的措施。过去高速P C B 布线时，过孔的阻抗常常被忽略，而正是这种过孔阻抗不连续所引起的反射，导致了严重的信号完整性问题。课题通过对P C B 过孑L 的理论分析，提出了一种阻抗可控的过孔设计方法。应用这种方法，可以有效地解决传输线阻抗不连续的问题，借助于仿真工具对这种设计方法进行了
3、仿真与验证。现代高速P C B 设计中，电源的种类越来越多，一个平面存在多种电源的现象(电源分割技术)也越来越多地出现。课题中介绍了信号跨电源分割的基本原理，仔细分析了信号跨电源分割造成的危害，研究了数模混合P C B 的设计方法。基于器件模型的板级信号完整性分析的P C B 设计方法已成为现代高速P C B 设计的主流。作为巨型机等重点工程P C B 设计方法的探索与研究，课题中着重研究了目前主流的P C B仿真工具和仿真方法，仔细分析了器件模型的原理和建立方法，并通过实例，用仿真工具进行实际的仿真与分析，对重点工程P C B 设计分析方法进行了有益的探讨。过去的P C B 仿真，要加载S
4、P I C E 模型才能完成，太复杂也很难实现，课题中采用加载I B I S 模型进行信号完整性分析的方法，对影响板级信号完整性的各主要因素都进行了详细的仿真：另外，在板级仿真时，有时找不到合适的I B I S 模型，通过分析信号的类型和I B I S模型的语法格式，提出种利用同类I oB u f f e r 模型替代仿真的方法，从而解决了板级仿真的可实现性问题。关键词：信号完整性，端接技术，串扰，过孔，跨电源分割，I B I S，S P I C E，高速设计国防科学技术大学研究生院学位论文A B S T R A C TW i t hr a p i dd e v e l o p m e n t
5、o fm o d e me l e c t r o n i cd e s i g nt e c h n o l o g y,e l e c t r o n i cs y s t e ms c a l eb e c o m e sl a r g e ra n dl a r g e r,s p e e db e c o m e sh i 曲e ra n dh i g h e rw h i l eb u l kb e c o m e ss m a l l e ra n ds m a l l e r S m a l l e rt h eI Cb u l k，f a s t e rt h et r a
6、n s i s t o rs w i t c hs p e e da n dt h es i g n a lo p e r a t i n gf r e q u e n c y,t h ed e n s i t yo fP C Bi sh i g k e r S ob o a r d l e v e lS Ii sam o r ea n dI T l o r ei m p o r t a n tk e yf a c t o ri ne l e c t r o n i cd e s i g n I nt h i sp a p e r,f i r s to fa l l，W eh a v er e
7、 v i e w e dt h et y p eo ft r a n s m i s s i o nl i n e，s t n l c t u r eo fP C B，a n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fP C Bs t r u c t u r et os i g n a lt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e T e r m i n a t i o na n dc r o s s t a l ka r es o m eo fk e yt e c h n o l o g i e so fb
8、 o a r dl e v e lS I I nh i 曲一s p e e ds y s t e m s，o n ec o m m o nd e s i g nf a i l u r ei sc a u s e db yt e r m i n a t i o nm i s m a t c h S od e t a i ls t u d i e so nt e r m i n a t i o np r o b l e mh a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e r A n o t h e rc o m m o np r o b l e mi nh i g h
9、s p e e dP C Bi se r o s s t a l k A f t e rs u f f i c i e n ta n a l y s i so fr e a s o na n dh a r mo fc r o s s t a l k，s o m em e a s u r e sa r ep u tf o r w a r dt od i m i n i s hc r o s s t a l k，V i ai m p e d a n c ei so f t e ni g n o r e di nt r a d i t i o n a lh i g h s p e e dP C Bd
10、 e s i g n I m p e d a n c ed i s c o n t i n u i t yo fv i aw i l lc a u s es i g n a lr e f l e c t i o n，a n dt h i sw i l ll e a d st os e v e r eS Ip r o b l e m s A f t e rs t u d i e so nb a s i ct h e o r yo fv i a，an e wm e t h o dn a m e dv i ai m p e d a n c e c o n t r o l l e di sp r o
11、v i d e di nt h i sp a p e r T h i sm e t h o dC a ne f f e c t i v e l ys o l v ei m p e d a n c ed i s c o n t i n u i t yo ft r a n s m i s s i o nl i n eS i m u l a t i o np r o v e st h a tt h i sm e t h o di sv a l i d I nm o d e mP C Bd e s i g n，t y p eo f p o w e ri sm o r ea n dm o r e A n
12、 dd i f f e r e n tp o w e ro f t e nc o e x i s t si no n ep l a n e A f t e rs t u d i e so nb a s i ct h e o r ya n dh a r mo fs i g n a lt r a v e r s i n gap o w e rg a p，p r o v i d em e a s u r e so fm i x e d s i g n a lP C Bd e s i g n D e s i g ns c h e m eo fP C Bb a s e do nS Is i m u l
13、a t i o nh a sb e c o m em a i n s t r e a md e s i g ns c h e m e T h i sp a p e re x p l o r e sm e t h o d so fs u p e r c o m p u t e r sP C Bd e s i g n，p r e s e n t se o n l I r l o nP C Bs i m u l a t i o nt o o l sa n dd e s i g ns c h e m e s，a n a l y z e sb a s i ct h e o r ya n dc o n s
14、 t r u c t i o nm e t h o do fs i m u l a t i o nm o d e l，s i m u l a t e sp r a c t i c a le x a m p l eb yE D At o o l s，A l lo ft h i si sag o o de x p l o r ef o rh i g h s p e e dP C Bd e s i g no f k e yp r o j e c t T r a d i t i o n a lP C Bs i m u l a t i o nb yl o a d i n gS P I C Em o d
15、e li sv e r yc o m p l e xa n dh a r dt oi m p l e m e n t T h r o u g hl o a d i n gI B I Sm o d e lp a r t i c u l a r l y,W eh a v es i m u l a t e dk e yf a c t o r so fb r i n g i n gb o a r d l e v e ls i g n a li n t e g r i t yp r o b l e m s B u ts o m e t i m e sw ec a n tf i n dc o r r e
16、c tI B I Sm o d e lf o rb o a r d l e v e ls i m u l a t i o n B ym e a n so fa n a l y z i n gs y n t a xf o r m a to fI B I Sm o d e l，w ef i n dt h a tt h ec o r r e c tm o d e lc a nb es u b s t i t u t e db yo t h e rm o d e lh a v i n gt h es a m eY OB u f f e r U s i n gt h i sm e t h o dw ec
17、 a ns o l v et h ef e a s i b i l i t yp r o b l e mo f b o a r d l e v e ls i m u l a t i o nK e y w o r d s：s i g n a li n t e g r i t y,t e r m i n a t i o n，v i a，e r o s s t a l k，I B I S，S P I C E，h i g h s p e e dd e s i g ns i g n a lt r a v e r s i n gag r o u n dg a p国防科学技术大学研究生院学位论文图目录图2
18、1 信号模式示意图图3 1 串扰中的干扰源与被干扰对象图3 2 减小串扰的走线方法图4 1 理想传输线简单模型图4 2 简单并行端接方式图4 3 戴维宁并行端接方式图4 4R C 并行端接方式图4 5 二极管并行端接方式图4 6 串行端接方式一图4 7 多负载端接方式之一图4 8 多负载端接方式之二图4 9 典型的振铃现象图4 1 0 不同端接方式下的仿真波形图5 1 过孔示意图图5,2 过孔的L C 等效电路图5 3 阻抗可控过孔的L C 等效电路模型图5 4 传输线回流路径，6、，81 0一1l1 2，1 31 31 4，1 4，1 5，1 51 6，1 6，1 8图5 5 信号跨电源分割
19、现象图5,6 信号跨电源分割现象图6 1 传统的P C B 设计方法图6 2 基于信号完整性分析的P C B 设计方法图6 3L V D S 缓冲器的标准负载图6 4 标准负载(单终端)下r B I S 和S P I C E 仿真波形的比较图6 5 标准负载(差分)下I B I S 和S P I C E 仿真波形的比较图6 6L V D S 缓冲器的传输线负载图6 7 传输线负载下I B I S 和S P I C E 仿真波形的比较图6-8 差分传输线下I B I S 和S P I C E 仿真波形的比较图6 9I B I S 仿真的上拉数据与测量的上拉数据的比较一图6 1 0I B I S
20、仿真的下拉数据与测量的下拉数据的比较图6 1 1 电流的流向对串扰的影响图6 1 2 线间距和平行长度对串扰的影响一图6 1 3 频率变化对串扰的影响一一一一一一一一一一一一一一一一一一国防科学技术大学研究生院学位论文图6 1 4 上升时间不同对串扰的影响图6 1 5 电路版图之一一图6 1 6 时钟信号的仿真波形图6 1 7 电路版图之二图6 1 8 平行线之间的串扰仿真波形图6 1 9 串扰强度报告，图6，2 0 常见信号的接口电平图6 2 1 几种常见信号的类型与工作电压图6|2 2 具有同类I OB u f f e r 管脚模型的仿真波形一加舵甜蚯邪矩国防科学技术大学研究生院学位论文表
21、目录表5 1 过孔的直径、中心距与过孔阻抗的关系表6 1 电流流向不同时的峰值串扰表6 2 两线间距P 和平行长度L 不同时的峰值串扰表6 3 干扰源信号频率不同时的峰值串扰2 23 73 83 9独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 身j 意。学位论文题目：齑盗至堕拯狴量塞整哇间塑盈奁学位论文作者签名：拯!垂邀
22、日期：如。牛年，上月，亭日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题目：商逮!堕拯亟焦量塞整惶闽题盟壅学位论文作者签名作者指导教师签名强遗迅妇曰期：刖午年，2 月z 亭日日期：洲年f 良月掰日国防科学技术大学研究生院学位论文第一章绪论1 1 背景集成电路的发展从封装来看，其体积越来越小，但引脚数却越来
23、越多。同时，由于其设计技术和工艺水平的迅速发展，使得其工作频率也越来越快，导致的结果是：电子系统朝着大规模、小体积、高速度的方向快速发展，而且发展速度越来越快。印制电路板(P r i n tC i r c u i tB o a r d，本文后面简称P C B)作为各种电子系统的电气和结构支撑，也正朝着设计层数增加，布局稚线密度变大，信号工作频率提高的方向发展，如何正确处理高速P C B 的板级信号完整性问题已经成为电子系统设计能否成功的关键。随着高速电子系统时钟频率的迅速提高和信号边沿翻转速度变快，P C B 的印制线互连和板层特性对系统电气性能的影响也越来越大。对于低频设计，印制线互连和板层
24、的影响可以不考虑，当频率超过5 0 M H z 时，印制线互连往往需要作为传输线来处理，而在系统设计时也必须考虑P C B 板层的电气参数。因此，高速系统设计，尤其是P C B 进行板级和系统级设计时，必须面对互连延迟所引起的时序问题以及串扰、传输线效应等信号完整性问题。1 2 课题的实践意义高速P C B 的设计技术是大型电子系统设计面临的难题之一。本课题所开展的P C 8 板级信号完整性问题的研究，是工程实践的需要，也是电子设计技术的一个研究热点。过去，P C B 设计的调试要用系列仪器测试电路板原型(通常接近成品)来完成。随着电路的复杂性的增加，多层板和高密度电路板的出现，人们开始用布线
25、工具来自动处理元器件之间日益复杂的互联，并希望尽量减少P c B 的测试过程，争取次设计成功。电路工作频率的不断提高，功能的不断翻新，元器件之间连线的物理尺寸和电路板的扳层特性日益受到人们的关注。另外，在竞争激烈的电子行业，快速地将产品投入市场至关重要。传统的P C g 设计方法要先设计原理图，然后放置元器件和走线，最后经过验证和测试，再反复修改，才能完成P e g 的设计。设计的修改意味着时间的延迟和开发经费的增加，这在产品需要-|尖速面市的压力和经费有限的情况下是不能接受的。目前大多数P C B 设计工程师对E D A 工具的使用还仅仅局限在电路图设计、以及P C B 郝局和布线等领域。当
26、有仿真模型时，工程师偶然也会采用仿真软件进行辅助设计，但通常只局限在部分电路。在产品设计初期识别、预防和修改错误的设计，确定P C B 设计的约束条件，进行P C B 的仿真与分析是最好的方法之一。筘j 贞国防科学技术大学研究生院学位论文1 3 课题研究的工程背景随着我院新一代巨型计算机和其它重点工程项目的展开，对系统设计方法，尤其是高速P C B 的设计方法，提出了更高的要求。本课题的研究就是要为这些重点工程项目的高速P C I 3 设计作一些理论研究、方法探询和技术储备。在个已有的P C B 板上分析和发现信号完整性问题是一件非常困难的事情，即使找到了问题，在一个已成形的P C B 上实施
27、有效的解决办法也会花费大量财力和物力。在P C B 设计时，希望能够在物理设计完成之前查找、发现并在电路设计过程中减小或消除板级信号完整性问题。仿真工具可以根据实际物理设计中的各种参数。对电路中的板级信号完整性问题进行深入细致的仿真与分析。新一代的板级信号完整性仿真工具主要包括布线前的仿真工具和布线后的仿真工具，以及系统级的仿真工具。使用布线前的仿真工具可以根据设计对信号完整性与时序的要求，在布线前帮助设计者选择元器件、调整元器件的布局、规划系统时钟网络和确定关键线网的端接策略。信号完整性的仿真工具不仅可以对一块P C B 板的信号流进行分析，而且可以对同一系统内其它组成部分如背板、连接器、电
28、缆及其接口进行分析，这就是系统级的仿真工具。这些工具可以在设计时包含多种因素(如：电气、E M C、热性能及机械性能等)，需要综合考虑这些因素对板级信号完整性的影响及这些因素之间的相互影响。1 4 本文的主要研究任务和贡献本文围绕板级信号完整性产生的原因和仿真分析方法来展丌。首先介绍了P C B 的基本结构和传输线的类型，分析了P c B 结构对信号传输性能的影响；主要研究了器件模型、利用器件模型进行高速P C B 板级信号完整性分析、高速P C B 过孔的设计和分析、数模混合P C 3的设计；重点研究了板级信号完整性问题的关键技术一端接和串扰。在高速P C B 设计中，端接的好坏决定了系统的
29、成败，本文仔细研究了端接技术的原理、类型以及各种端接的适用范围；针对高速P C B 中普遍存在的串扰问题，仔细分析了串扰产生的原因和造成的危害，提出了一些减小串扰的措施。本文主要的贡献就在于对上面的四个问题进行了深入的研究和探讨，结合实际情况，提出其解决方法，具体表现为：在高速P C B 的过孔方面，介绍了过孔的类型，分析了过孔的寄生电感和寄生电容，针对过孔所引起的阻抗不连续现象，提出了一种阻抗可控过j L 的设计方法。在数模混合P C B 的设计方面，针对高速P C B 中经常出现的信号跨电源分割现象，研究了信号跨电源分割的基本原理，仔细分析了信号跨电源分割造成的危害，研究了数模混合P c
30、B 的设计方法。在板级信号完整性分析方面，分成两个过程进行：l、布线前仿真。柿线前仿真可以根据P C B 对信号完整性的要求，存郝线前帮助设计者1 匝百一国防科学技术大学研究生院学位论文合理布置元器件、规划系统时钟网络以及确定关键信号线的端接策略，在布线过程中跟踪设计，随时反馈布线效果，确定P C B 布线的约束规则，如参数设置和布线约束等：2、布线后仿真。布线后仿真通常在P C B 设计基本完成之后进行，综合考虑E M I 和E M C等因素对板级信号完整性的影响以及这些因素之间的相互作用，从而进行真正的扳级分析与验证，与线仿真相比而言，板级仿真更复杂。在器件模型方面，有时找不到合适的I B
31、 I S 模型来完成仿真，如果自己建立模型，必须要有很好的实验室环境，通过分析信号的类型和I B I S 模型的语法格式，发现在相同的仿真环境下，具有同类i oB u f f e r 的I B I S 模型其仿真结果也是相同的，可以替代需要的模型完成仿真。里堕型鲎垫查奎兰塑窒尘堕兰垡堡苎第二章P O B 结构与板级信号完整性问题信-3 4 有不同的模式。不同的P C B 结构及其传输线都对不同模式的信号有不同程度的影响，从而造成了板级信号完整性问题。因此，本章对P e g 结构与板级信号完整性的影响进行了简单的描述。2 1P e g 基本结构由于市场需要，印刷线路板早在五十年代初期已经开始了大
32、规模的工业化生产，当时主要是采用印刷及蚀刻法制造简单的单面板，到六十和七十年代随着电镀技术的引进及其突破，使得P C B 制造业有能力制作双面板和多层板。真到八、九十年代对P C B 更复杂的设计要求推动了P C B 业迅速地发展，出现了很多新的生产技术。在过去短短的几年里，网络及通信技术的持续迅猛发展，电子制造业也相应地快速发展。P C B 不但要求能有效地传送信号，更要求轻、薄、短、小。随着大量新式材料、新式设备和新式测试仪器的相继涌现，P C B 的技术朝着高密度互连、多层、高性能、高可靠性、高附加值和自动化的方向发展。2 1 1P C B 基本类型典型的P C 8 结构是以电介质为绝缘
33、材料，并且由一个或多个信号层和电源地层，以及P C B 上的传输线构成的。P C B 中的传输线用的金属为铜，而电介质通常是一种叫F 8 4 的玻璃纤维。单面板(S i n g l e S i d e dB o a r d s)。单匝板是最基本的P C B，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上。单面板在设计线路上有许多严格的限制(如：不能交叉布线而必须绕路)只有早期的电路设计才使用。双面板(D o u b l e S i d e dB o a r d s)。双面板的两面都可以布线，要在两面都布线，必须要在两面间有适当的电气连接才行，这种电气连接叫做过孔(v i a)。过孔是在P C B 上
34、充满或涂上金属的小孔，可以将两面的导线相互连接。双面板的布线面积比单面板大了倍，可以相互交错布线，适用于更复杂的电路上。多层板(M u】t i L a y e rB o a r d s)。为了增加可以布线的面积，多层板使用了更多的单面或双面的布线层。多层板使用数片双面扳，并在每层板间放进一层绝缘层后压台，各层都紧密地结合在一起，般不太容易看出P C B 钓层数。电路板的层数就代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，包含最外侧的两层。大部分的P C B 都是4 8 层的结构，但技术上可以做到近1 0 0 层的P C B，大型的电子设备(如：巨型计算机)大多使用多层扳。双面板上的过i L，定都
35、是贯穿整个电路板的。对于多层板，如果只想连接其中某些线路贯穿整个电路板可能会浪费一些其它层的线路空恒l。埋i h(B u r i e dv i a)H 盲孔(8 l i n dv i a)技术可以避免这个问题。盲孔连接P e g 的内层走线与表面层走线，不须穿透整个电孰4 虹国防科学技术人学研究生院学位论文路扳；埋孔则只连接P C B 的内层走线。在多层P C B 中，各层可分为：信号层(S i g n a l)，电源层(P o w e r)或地线层(G r o u n d)。如果P C B 上的器件需要不同的电源，可以使用多个电源层，或使用电源分割技术，为此也必须使用多个地层来提供电流回路，
36、因此，通常多层P C B 会有两层以上的电源层或地线层。多层板能提供多种方式的带状线和微带线结构。“。2“-“2 1 2P C B 上的传输线P C B 上的传输线一般是指P C B 上元器件之间互连的导线，即印制线。过去，P C B 上的信号线往往被认为是无损耗的。随着技术的发展，信号工作频率的提高，P C B 上的信号线必须考虑其阻抗对信号质量的影响。对于低速信号，信号的延迟时间比上升时间小很多，信号传输过程中所产生的反射都将被吸收，不会呈现过冲、下冲和振铃等现象；当信号的延迟大于上升时间的1 6 时，信号线必须认为是传输线，走线的长度必须大大缩短，在接收端要有正确的端接，以确保信号的完整
37、性。决定信号线是否作为传输线来处理，主要取决于：信号的边沿翻转速率、连线距离、延迟与上升时间的比值等因素。f 1$，】2 1 3P C B 结构对信号传输性能的影响P e B 结构对信号传输性能的影响，主要表现在P C B 传输线类型和P C B 布局布线等对特性阻抗Z。和传输延迟的影响。传输线类型的影响。传输线的类型主要有微带线和带状线。微带线为只有一个参考平面的P C B 外层走线，传输速度较快(时延一般为：1 4 0 p s i n c h)。带状线为具有两个参考平面的P C B 内层走线，传输速度较慢(时延一般为：1 8 0 p s f i n c h)。微带线一般比带状线具有更高的特
38、性阻抗值。1 0,1 2,2 6,2 7 I P C B 布局布线的影响。P C B 的伟局布线指的是元器件在P C B 上的辊对位置、信号线的拓扑结构和间距等，都会影响信号的传输性能。信号线的长度应越短越好，关键的信号(如：时钟和数据)需要优先布线，有利于保证信号对传输时间的要求。信号层之间要采用交叉布线，相邻信号线密集而且互为平行线时，会对别的线带来很大的干扰或串扰。z 2。l 信号模式2 2 信号模式与板级信号完整性问题信号模式是将数字信号从一点传输到另一点的方式，是数字系统设计中的重要环节，信号模式包括源端、传输介质及接收端三部分，如图2 1 所示。三个部分有不同的设计要求。源端的设计
39、要求包括输出阻抗、信号幅度、发送信号功率以及信号带宽等方面，其中输出阻抗是驱动器设计的重要指标。高阻输出时为电流驱动鹅5 受里堕型兰整查奎堂竺壅生堕鲎堡丝苎模式，而低阻输出时为电压驱动模式，电流驱动能比电压驱动更好地隔离本地供电电源，因而能够减小电源噪声的影响。传输介质主要为P C B 上的传输线，为信号传输提供路径。在接收端设计中，主要考虑如何提供合适的端接方式。图2 1 信号模式示意图2 2 2 高速P C B 板级信号完整性问题信号完整性S I(S i g n a lI n t e g r i t y)主要是指信号在信号线上传输的质量，当电路中信号能以要求的时序和电压幅度到达接收端时，该
40、电路就有很好的信号完整性；当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时，就出现了信号完整性问题。板级信号完整性主要表现为反射、串扰、过冲和下冲、地弹、振铃等几个方面。源端与负载端的阻抗不匹配会引起传输线上的反射，负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于传输线阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于传输线阻抗，反射电压为正。布线的几何形状、不正确的端接方式、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素均会导致传输线上的反射。对于源端，也要与传输线的特性阻抗相匹配，才能消除二次反射。串扰是指两条信号线之间的耦合。信号线之间的互感和互容引起线上的噪声，容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发
41、耦合电压。P C B 板层的参数、信号线的间距、驱动端和接收端的电气特性以及端接方式对串扰都有一定的影响。过冲是指超过限定电压的第一个峰值或谷值(对于上升沿是指最高电压，而对于下降沿是指最低电压)。下冲是指第二个谷值或峰值。过分的过冲会击穿保护二极管，过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误。振铃和环绕振荡主要是由反射系数决定的，振铃属于欠阻尼状态，而环绕振荡属于过阻尼状态。振铃和环绕振荡部可以通过合适的端接予以消除。在电路中有大的电流涌动时会引起地弹，如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与电路板的电源平面流过，会在地平面(O V)上产生电压的波动和变化这个噪声还会影响其它元器
42、件的正常工作。负载电容的增大、负载电阻的变化、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。端接技术是信号线与地平面相关，属于双线系统；串扰是由P C B 上的相邻两根信号线与地平面相关，属于三线系统。P C B 板层特性、信号线的间距及端接的方式对串扰都有一定的影响。o897。”。筇6 甄国防科学技术人学研究生院学位论文2 3 小结本章首先对P C B 的基本结构和类型做了简单的介绍，主要论述了P C B 基本结构和传输线类型对板级信号完整性的影响，总结了几种比较常见的板级信号完整性现象。第7 爽国防科学技术人学研究生院学位论文第三章串扰问题及其减小措施在当今快速发展的电子设计领域
43、，系统的高速化和小型化已经成为一种趋势。在缩小电子系统体积的同时，如何保持并提高系统的速度与性能成为一个重要的课题。信号频率变高，边沿变陡，P C B 尺寸变小，布局布线密度变大等，都使得串扰越来越严重。本章对串扰问题及其对信号完整性的影响进行了论述，并总结了减小串扰的措施。3 1 I 串扰现象3 1 串扰问题在电子设计领域中，串扰问题无处不在，对串扰问题的研究已有多年，本课题中也对串扰问题进行了简单的介绍。串扰是指当信号在传输过程中，因电磁场耦合对相邻的传输线产生了噪声干扰。过大的串扰会引起信号的误触发，导致系统不能正常工作。“”2“2“2 2”。3”如图3 1 所示，如果位于A 点的驱动源
44、称为干扰源，则位于D 点的接收器称为被干扰对象，A、B 之间的线网称为干扰源网络，c、D 之间的线网称为被干扰对象网络；反之，如果位于c 点的驱动源称为干扰源，则位于B 点的接收器称为被干扰对象，c、D 之间的线网称为干扰源网络，A、B 之间的线网称为被干扰对象网络。当干扰源的状态产生变化时，会在被干扰对象上产生串扰脉冲。3 I 2 串扰引起的噪声图3 1 串扰中的干扰源与被干扰对象由于存在着互感和互容，相互耦合的信号线之间存在着串扰噪声，干扰源会在被干扰对象上产生一定的电压或电流，下面简单介绍一下互感和互容。”“在磁场的作用下，两个导体互相耦合，这就是互感。这种由磁场引起的耦合程度可用互感系
45、数l。m 米标示。如果干扰源和被干扰对象的距离足够近，在受侵略的传输线上将会产生感应电压，从而会引起传输线上的的串扰噪声，由互感引起的电流总是从被干扰对象的远端流向近端的。在高速P C B 设计中，互感引起的串扰是不可忽视的。1国防科学技术人学研究生院学位论文任何耦合的导体之间都存在着互容。在电场的作用下，两个导体互相耦合，这种由电场引起的耦合可用互容系数C m 来表示。互容会引起一定的噪声电流，从而对传输线上的信号质量造成影响，由互容弓I 起的电流分别向被干扰对象的两个方向流动。在高速电路中，信号的工作频率很高，信号的上升或下降的速度都非常快，导致信号电压的变化率很大，互容引起的串扰越来越突
46、出。为了方便，这里定义两个概念：近端串扰和远端串扰。近端串扰是指在受侵害线流向侵害线源端的串扰(或称后向串扰)；将受侵害线上流向侵害线接收端方向的串扰称为远端串扰(或称前向串扰)。3 2 1 串扰的危害3 2 串扰的危害与减小串扰的措施串扰危害有很多，主要有以下几种：“8”2 03“引起传输时间的变化。数据传输方式的变化会造成传输线的等效电感和电容等参数发生变化，可能增大也可能减小。在串扰耦合比较严重的多根信号线之间，存在着幅度比较大的串扰，传输线延迟将随着信号状态发生变化。开关状态对传输线性能的影响。当多根传输线相互之间靠得很近的时候，传输线之间的电场和磁场将以各种方式相互作用，这种相互作用
47、会改变传输线的特性阻抗，当多根靠近的传输线同时开关时，这种现象尤为严重，从而影响传输线的性能。串扰会引起误触发。当信号存在严重的信号完整性问题时，将引起误触发。当信号的幅度达到门限时，接收器将被触发如果因为加上串扰电压后，信号的幅度大于接收器的门限电平时，可能会引起误触发。当这种情况发生在数字系统中时，有可能会导致系统的崩溃。3 2 2 影响串扰的主要因素要抑制串扰，首先要了解影响串扰的因素，与串扰相关的主要因素如下：电流的流向。串扰是与方向有关的，电流流向为反向时的远端串扰要大于电流流向为同向时的远端串扰。信号的频率与边沿翻转速率。信号的频率越高，被干扰对象上的串扰幅度越大。对于高速信号的串
48、扰，容性耦合噪声会超过感性耦合噪声而成为主要的干扰因素，此时不但要关注远端串扰，而且更要谨慎处理容易被忽略的近端串扰。另外，在数字电路中，除了信号频率对串扰的影响外，信号的边沿翻转速率对串扰的影晌也很大，边沿变化越快，其电压或电流的变化率就越大，串扰也就越大。地平面对串扰的影响。传输线与地平面的距离，即传输线与地平而之问的电介质厚度对串扰的影向j l 大。介质厚度越大，串扰越大；反之，介质厚度减小时，串扰明显减小。第9 m国防科学技术大学研究生院学位论文平行长度与线间距。串扰电压的大小与两线的间距成反比，而与两线的平行长度成正比，但不是简单的倍数关系。对于同向传输的相邻信号线，当平行线上的传输
49、延迟超过信号上升时间的两倍的时候，串扰趋向饱和，不再随着长度的增加而增大。3 2 3 减小串扰的措施对P C B 设计来说，不一定要完全消除串扰，只需要将串扰抑制在系统允许的范围之内，在进行P C B 设计时可以采取下列措施减小串扰的危害：“2”若布线空间允许，增加线与线之间的间距或在线与线之间用地线隔开；设计多层板时，在满足阻抗要求的条件下，减少信号层与地层之间的距离；把关键的高速信号设计成差分线，如高速系统时钟；相邻的两个信号层，布线时按正交的方式进行布线，以减少层与层之间的耦合；将高速信号线设计成带状线或嵌入式微带线：走线时，减少并行线长度，可以按图3 2 方式布线：在满足系统设计要求的
50、情况下，尽量使用低速器件和边沿翻转速度较慢的器件。图3 2 减小串扰的走线方法串扰的大小跟互感和互容的大小成正比，上面的措施大部分能减小串扰的互感和互容，在其它条件不变的情况下，能有效地减小串扰噪声。3 3 小结本章主要介绍了串扰产生的原因，研究了影响串扰的主要因素，针对串扰造成的危害，总结了一些减小串扰的措施。第四章端接技术研究随着高速P C B 的快速发展，设计工程师常常被如何保持板级信号完整性的问题所困扰。合适的端接方式能减小或消除信号的反射。电路端接的好坏，关系着系统设计的成败。端接技术也是板级信号完整性的关键技术之一。协2。3 2 14 1 信号的反射传输线上的阻抗不匹配会导致信号的