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高速设计中的信号完整性和电源完整性分析

上网日期: 2015年02月06日 ?? 作者: Patrick Carrier ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:信号完整性? 功率完整性? PDN? 仿真?

引言:信号完整性电源完整性是两种不同但领域相关的分析,涉及数字电路正确操作。在信号完整性中,重点是确保传输的1在接收器中看起来就像 1(对0同样如此)。在电源完整性中,重点是确保为驱动器和接收器提供足够的电流以发送和接收1和0。因此,电源完整性可能会被认为是信号完整性的一个组成部分。实际上,它们都是关于数字电路正确模拟操作的分析。

信号完整性(SI)和电源完整性(PI)是两种不同但领域相关的分析,涉及数字电路正确操作。在信号完整性中,重点是确保传输的1在接收器中看起来就像 1(对0同样如此)。在电源完整性中,重点是确保为驱动器和接收器提供足够的电流以发送和接收1和0。因此,电源完整性可能会被认为是信号完整性的一个组成部分。实际上,它们都是关于数字电路正确模拟操作的分析。

分析的必要性

如果计算资源是无限的,这些不同类型的分析可能不存在。整个电路将会被分析一次,而电路某一部分中的问题将会被识别并消除。但除了受实际上可仿真哪些事物的现实束缚之外,具有不同领域分析的优点在于,可成组解决特定问题,而无需归类为“可能出错的任何事物”。在信号完整性中,例如,重点是从发射器到接收器的链路。可仅为发射器和接收器以及中间的一切事物创建模型。这使得仿真信号完整性变得相当简单。另一方面,要仿真电源完整性可能有点困难,因为“边界”有点不太明确,且实际上对信号完整性领域中的项目具有一定的依赖性。

在信号完整性中,目标是消除关于信号质量、串扰和定时的问题。所有这些类型的分析都需要相同类型的模型。它们包括驱动器和接收器、芯片封装及电路板互连(由走线及过孔、分立器件和/或连接器组成)的模型。驱动器和接收器模型包括关于缓冲器阻抗、翻转率和电压摆幅的信息。通常,IBIS 或 SPICE 模型用作缓冲器模型。这些模型与互连模型结合使用来运行仿真,从而确定接收器中的信号情况。

互连将主要包括行为类似于传输线的电路板走线。此类传输线具有阻抗、延迟和损耗特性。它们的特性决定了所连接的驱动器和接收器与彼此进行交互的方式。互连的电磁特性必须使用某种类型的场求解器进行求解,该场求解器通过可与信号完整性仿真器结合使用的电路元件或 S 参数模型来描述其特征。大多数走线均可建模为一个均匀的二维横截面。该横截面足以计算走线的阻抗特性。阻抗将会影响信号线上接收器中的波形形状。最基本的信号完整性分析包括设置电路板叠层(包括适当的介电层厚度),以及查找正确的走线宽度,以实现一定的走线目标阻抗。

与过孔相比,对走线进行建模会相对比较容易。当对较快的信号进行信号完整性分析时,适当的过孔建模就变得非常重要。通常,千兆位信号需要通过三维场求解器对模型特征进行适当地描述。幸运的是,这些信号往往是不同的,这使它们的影响相对局部化。穿过过孔的快速、单端信号与配电网络(PDN)进行强有力地交互。从这些过孔返回的电流穿过附近的缝合孔、缝合电容器和/或平面对(组成PDN且需要建模以进行电源完整性分析的相同元器件)。

(电子工程专辑)
图1:在走线横截面、信号过孔和 PDN 上的能量传播。

在电源完整性分析中,较高频率的能量分布在整个传输平面上。这立即使此分析比基本信号完整性更复杂,因为能量将沿x和y方向移动,而不是仅沿传输线一个方向移动。在直流中,建模需要计算走线的串联电阻、平面形状和过孔相对较为简单。但是对于高频率,分析PDN的不同位置上电源与地面之间的阻抗需要复杂的计算。阻抗将根据电路板的位置(电容器的放置位置、安装方式、类型及电容值)而异。高频行为(如安装电感和平面扩散电感)需要包括在建模中,以便生成准确的去耦分析结果。存在简单版本的去耦分析(通常称为集总分析),在此分析中,会将PDN视为一个节点来计算其阻抗。这通常是可一次性成功的有效而快速的初步分析,可确保有足够的电容器且它们具有正确的值。然后,运行分布式去耦分析可确保在电路板的不同位置满足PDN的所有阻抗需求。

第2页:信号完整性仿真

第3页:电源完整性仿真


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