信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计 1 简介简介 信号完整性是指信号在通过一定距离的传输路径后在特定接收端口相对指定发 送端口信号的还原程度 在讨论信号完整性设计性能时 如指定不同的收发参考端 口 则对信号还原程度会用不同的指标来描述 通常指定的收发参考端口是发送芯 片输出处及接收芯片输入处的波形可测点 此时对信号还原程度主要依靠上升 下 降及保持时间等指标来进行描述 而如果指定的参考收发端口是在信道编码器输入 端及解码器输出端时 对信号还原程度的描述将会依靠误码率来描述 电源完整性是指系统供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该 器件对工作电源要求的符合程度 同样 对于同一系统中同一个器件的正常工作条 件而言 如果指定的端口不同 其工作电源要求也不同 在随后的例子中将会直观 地看到这一点 通常指定的器件参考端口是芯片电源及地连接引脚处的可测点 此时该芯片的产品手册应给出该端口处的相应指标 常用纹波大小或者电压最大偏 离范围来表征 图一是一个典型背板信号传输的系统示意图 本文中 系统 一词包含信号传 输所需的所有相关硬件及软件 包括芯片 封装与 PCB 板的物理结构 电源及电 源传输网络 所有相关电路实现以及信号通信所需的协议等 从设计目的而言 需 要硬件提供可制作的支撑及电信号有源 无源互联结构 需要软件提供信号传递的 传输协议以及数据内容 图 1 背板信号传输的系统示意图 在本文的以下内容中 将会看到由于这些支撑与互联结构对电信号的传输呈现 出一定的频率选择性衰减 从而会使设计者产生对信号完整性及电源完整性的担 忧 而不同传输协议及不同数据内容的表达方式对相同传输环境具备不同适应能 力 使得设计者需要进一步根据实际的传输环境来选择或优化可行的传输协议及数 据内容表达方式 为描述方便起见以下用 完整性设计与分析 来指代 信号完整性与电源完整 性设计与分析 2 版图完整性问题 分析与设计版图完整性问题 分析与设计 上述背板系统中的硬件支撑及无源互联结构基本上都在一种层叠平板结构上实 现 这种层叠平板结构可以由三类元素组成 正片结构 负片结构及通孔 正片结 构是指该层上的走线大多为不同逻辑连接的信号线或离散的电源线 由于在制版光 刻中所有的走线都会以相同图形的方式出现 所以被称为正片结构 有时也被称为 信号层 负片结构则是指该层上基本上是相同逻辑连接的一个或少数几个连接 通 常是电源连接或地连接 通常会以大面积敷铜的方式来实现 此时光刻工艺中用 相反图形来表征更加容易 所以被称为负片结构 有时也称为平面层 细分为电源 平面层和地平面层 而通孔用来进行不同层之间的物理连接 目前的制造工艺 中 无论是芯片 封装以及 PCB 板大多都是在类似结构上实现 封装封装 子卡子卡 子卡子卡 转接器 背板 转接器 背板 PCB 导线 封装导线 导线 封装导线 芯片芯片 封装封装 芯片芯片 输出输出 输入输入 1001010 过孔过孔 1001010 10203040050 0 5 0 0 0 5 1 0 1 5 1 0 2 0 time nsec Vcore V 10203040050 0 5 0 0 0 5 1 0 1 5 1 0 2 0 time nsec Vout V 图 2 层叠结构示意图 版图完整性设计的目标在于能提供给系统足够好的信号通路以及电源传递网 络 但实际的物理连接并不是理想的 以上述经由过孔的导线为例 在高频时表现 出较明显的衰减 平面层 信号层 过孔 a 版图 b 版图所对应的层叠结构 0 51 01 52 02 50 03 0 0 6 0 4 0 2 0 8 0 0 Frequency Mag dB S21 图 3 互联结构在高频激励时的表现示意图 电流密度分布的显示对于版图完整性设计与分析有着重要的意义 因为通过电 流密度的显示可以直观得观察到信号的寄生耦合位置以及强度 从而帮助版图调试 者有针对性地采取耦合或解耦方案 以上结果以矩量法仿真得到 对于信号完整性而言 首要任务是保证信号通路在一定负载情况下呈现良好的 匹配状况 同时避免不期望的寄生耦合改变已设计好的匹配状况 利用电磁场仿真 不但可以准确得计算实际版图结构中信号通路的匹配状况 同时也可以计算信号通 路周围结构带来的寄生耦合 如果周围是信号线则通常被称为串扰 其强度可以 直接表征为周围走线或平面上感应所产生的电流密度 从而可以帮助优化版图结 构 注 上图是图二结构在 3GHz 激励下顶层导线电流密度的分布状况 从左图中可以看出高频 下电流在导线上的传输呈现出边缘效应 而其传输响应在 3GHz 时有大约 0 7dB 的衰减 端口 1 端口 3 端口 5 端口 2 端口 4 端口 6 0 51 01 52 02 50 03 0 200 150 100 50 250 0 freq GHz dB S 4 1 dB S 6 1 0 51 01 52 02 50 03 0 150 100 50 200 0 freq GHz dB S 3 1 dB S 5 1 图 4 一个简单的信号完整性分析例子 上图中电流密度分布的位置描述了在特定频点激励下发生串扰耦合的具体部 位 而 S参数仿真结果则给出了不同频率信号激励下串扰的强度 除改变线距 外 周围其它电磁回路环境的改变同样会造成信号传输及串扰状况的不同 一个典 型的例子是利用层与层之间的屏蔽可以改善原本放在顶层的走线信号传输或串扰性 能 对于电源完整性而言 期望增加电源与地之间的容性耦合 因为可以帮助滤除 电源中的交流波动 在实际应用中 往往采取加解耦电容的方法 对于电源完整性 a 电流密度分布图 注 上图电流密度分布状况的条件是在端口 1 加 3GHz 的激励 其它端口接 50 欧姆负载 b 近端串扰情况 在 3GHz处端口 3 串扰比端口 5 严重 c 远端串扰情况 在 3GHz处端口 5 串扰比端口 3 严重 设计而言 电流密度改动的动态显示可以帮助设计者直观了解到电源网络中振荡现 象产生的原因 从而帮助设计者确定加解耦电容的最佳位置 下图模拟了一种简单的电源传递网络 电源平面和地平面是规整的矩形 这有 助于定性的验证电磁场仿真结果 工作器件与供电电源分别连接在矩形的两个对角 上 假设工作器件对于该供电网络的阻抗为 20欧姆 利用电磁场仿真可以观察电 流从端口 1流入经过该电源传递网络再从端口 2流出的损耗状况 图 5 简单的电源传递网络仿真 仿真结果如图所示 可以看到上图的结构在 1GHz 频段内出现三个主要谐振区 域 分别在 200MHz 500MHz 以及 1GHz 附近 分别用三个谐振频点来激励端口 1 并动态显示电流密度分布的变化趋势 可以直观地发现 200MHz 附近的谐振主 要是沿矩形的对角方向 并且相对应的特征尺寸为两倍对角线长度 因为过孔的连 接 500MHz 附近的谐振主要是沿矩形的长边方向 相对应的特征尺寸为长边的 长度 1GHz附近的谐振主要是沿矩形的短边方向 相对应的特征尺寸则为短边的 长度 工作 器件 端口 1 端口 2 注 仿真中用一个过孔在电源 连接处短接电源平面与地平面 来模拟接上电源的情况 假设 电源内阻很小可以忽略 图 6 仿真结果 S参数及电流密度分布的动态显示 上述谐振区域的存在对于电源完整性的危害在于 如果工作器件 以典型的 CMOS 器件为例 在谐振频点上工作 会产生同样频点的电源电流需求 然而因 为谐振的关系 从供电电源端到器件电源输入端会产生明显的压降 从而可能使工 作器件上实际的工作电压达不到预期值 导致性能恶化甚至无法正常工作 解决上述问题的方法在于采用某种手段使得电源网络的谐振区远离器件的工作 频率 常用的方法是加解耦电容 通过电流密度分布的显示可以了解振荡原因 从 而采取针对的方法 针对上面这个例子 可以加一个过孔来模拟解耦电容的作用 并通过改变过孔的位置来观察到谐振模式及谐振点的变化 从而找到最佳的解耦电 容放置处 以上例子中的谐振现象甚至可以定性直观地预计到 以上所述不同特征尺寸与 不同谐振频点位置的对应关系可以说明这一点 但这是因为假设的电源平面是规整 形状 实际的电源传递网络远比上面的例子要复杂 很难定性预计谐振的模式 但 利用上述仿真的手段 仍然可以沿用类似的方法来确定谐振的原因并采取针对性的 措施 0 20 40 60 80 01 0 30 20 10 0 40 10 Frequency Mag dB m1 m2 m3 S12 m1 freq dB demo pcb PI plane mom a S 1 2 34 113 166 7MHz m2 freq dB demo pcb PI plane mom a S 1 2 22 420 465 3MHz m3 freq dB demo pcb PI plane mom a S 1 2 22 832 976 9MHz a 仿真结果显示三个主要的谐振区域 b 激励为 166 7MHz时电流密度分布的 动态显示截图 结果表明该谐振基本沿 矩形对角线方向发生 c 激励为 465 3MHz时电流密度分布的 动态显示截图 结果表明该谐振基本沿 矩形长边方向发生 d 激励为 976 9MHz时电流密度分布的 动态显示截图 结果表明该谐振基本沿 矩形短边方向发生 4 电路完整性设计与分析电路完整性设计与分析 从 TTL GTL 到 HSTL SSTL 以及 LVDS 目前芯片接口物理标准的演变反 映了集成电路工艺的不断进步 同时也反映了高速信号传输要求的不断提高 了解 这些接口标准是完整性设计中必要的一环 因为从版图完整性的分析过程不难看 出 只有结合互联结构两端的负载特性对版图的仿真结果才具有实际意义 而负载 特性是由其连接的电路特性所决定的 随着传输速率的不断增加 翻转速率控制电 路 驱动负载控制电路等措施被广泛使用 这些措施为完整性设计者提供了更多地 优化空间 在具体的完整性分析中 需要结合这些控制的实际实现方式 因为这些 可能变化的控制会影响到电路的负载特性以及波形性能 另外 芯片上解耦电容的 实现也是 IO电路设计者的任务之一 图 7 简化电路完整性仿真示意图 ground pod power pod R ML1CTL C PCB MLVIAPAD PCB MLVIAHOLE PCB 2 ML1CTL C PCB 3 ML1CTL C PCB 2 EDD1232AABH I IBIS Vg Vd MLVIAPAD ML1CTL C MT46V128M4TG IO IBIS Vg VdMLVIAPAD ML1CTL C C PCB L PCB R PCB C L R C L R C PCB L PCB R PCB C L R C L VtBitSeq t 芯片内部芯片内部 封装内部封装内部 PCB内部内部 Vsupply Vchip 以上电路仿真图中包括了芯片 封装及 PCB 板信号线互联及电源互联的等效 模型 当然也可以由更精确的模型所替代 驱动电路和接收电路采用了 IBIS模 型 也可以用 SPICE 模型来替代 利用该仿真电路我们可以 看到 一个虚拟 系统工作时任一点的信号波形或电源波动状况 对于信号完整性而言 通常关心的是时钟信号的抖动以及信号波形的上升 下 降 保持时间 上述电路进行瞬态仿真后利用 ADS2005A中内含的眼图工具自动统 计出各抖动分量的值 图 8 在接收端口处的仿真结果 符合规范的眼图以及抖动的统计结果 对于电源完整性而言 通常关心的是某工作器件所承受的实际电源电压波动 即图七中的 Vchip 图 9 同一时间在不同位置 看 到的电源电压波动状况 10203040050 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 0 5 2 5 time nsec Vcore V Vout V Vgpkg V Vppkg V 10203040050 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 0 5 2 5 time nsec Vcore V Vout V Vgio V Vp