畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于Hyperlynx的串?dāng)_問題研究

1、基于hyperlynx的串?dāng)_問題研究本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題 目： 基于hyperlynx的串?dāng)_問題研究 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 電信07104班 指導(dǎo)教師： 完成時(shí)間： 2011年5月10日 20目 錄摘要1引言21 信號(hào)完整性原理2 1.1 信號(hào)的完整性概述21.2 單一網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)完整性31.2.1 串?dāng)_信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理41.2.2 串?dāng)_的計(jì)算51.3 hyperlynx軟件概念介紹81.3.1 主要特點(diǎn)81.3.2 串?dāng)_(crosstalk)分析 82 仿真分析92.1 linesim 串?dāng)_分析102.1.1 總線設(shè)計(jì)的間距112.1.2 建立基本的傳輸線112.1.3 指派ic

2、模型122.1.4 victim與aggressor線122.1.5 耦合域132.1.6 改變線距對(duì)串?dāng)_的影響142.1.7 改變介質(zhì)層厚度對(duì)串?dāng)_的影響152.1.8 凈化aggressor信號(hào)對(duì)串?dāng)_的影響172.1.9 victim 網(wǎng)絡(luò)的端接對(duì)串?dāng)_的影響183結(jié)論19答謝19參考文獻(xiàn)20基于hyperlynx的串?dāng)_問題研究電信專業(yè)學(xué)生： 指導(dǎo)教師： 摘要：在當(dāng)今飛速發(fā)展的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高速化和小型化已經(jīng)成為設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。與此同時(shí)信號(hào)頻率的提高，電路板的尺寸變小，布線密度加大、板層數(shù)增多而導(dǎo)致的層間厚度減小等因素則會(huì)引起各種信號(hào)完整性問題。在所有的信號(hào)完整性問題中，串?dāng)_現(xiàn)象是非常普遍的。

3、串?dāng)_可能出現(xiàn)在芯片內(nèi)部，也可能出現(xiàn)在電路板、連接器、芯片封裝以及線纜上。本文將剖析在高速pcb板設(shè)計(jì)中信號(hào)串?dāng)_的產(chǎn)生原因，運(yùn)用hyperlynx仿真軟件分析其抑制和改善的方法對(duì)串?dāng)_進(jìn)行仿真分析，通過拉大線距、減小介質(zhì)層厚度、增加端接等方法，分析相關(guān)因素對(duì)串?dāng)_的影響，從而達(dá)到減小串?dāng)_的目的。關(guān)鍵詞：信號(hào)完整性分析，串?dāng)_，hyperlynx，仿真the crosstalk problems research based on hyperlynxelectronics and information science and technology candidate: cai qingadvisor：

4、peng yuanjieabstract: in todays rapid development of electronic design field, fast pace and miniaturization has become an inevitable trend of design. meanwhile, the signal frequency improve the dimension, wiring circuit board of increasing density, plate layer increased caused between layers of the

5、thickness decreases factors will cause all sorts of signal integrity problems. in all of the signal integrity problems, crosstalk phenomena are very common. crosstalk may appear in chip internally, may also appear in the circuit boards, connectors, chip packages and cable. this paper will analyze in

6、 high-speed pcb design signal crosstalk reasons, using hyperlynx simulation software analyzes its suppression and improvement methods and through hperlynx software simulation analysis of crosstalk, through the gap spacing, reducing medium thickness, increase termination wait for a method, analysis t

7、he correlation factor to influence of crosstalk, so as to achieve the purpose of reducing crosstalk.keywords: signal integrity analysis, crosstalk,hyperlynx, simulation 引言隨著系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的提高、電路板尺寸變小、布線密度加大以及信號(hào)跳變沿不斷縮短，信號(hào)完整性問題日益突出。因?yàn)樗苯佑绊懙较到y(tǒng)性能，所以信號(hào)完整性已經(jīng)成為高速數(shù)字pcb設(shè)計(jì)必須關(guān)心的問題之一。信號(hào)串?dāng)_是高速設(shè)計(jì)所面臨的信號(hào)完整性問題中的一個(gè)重要內(nèi)容,串?dāng)_是造成電路

8、功能錯(cuò)誤的一個(gè)主要原因。如果能在驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)串?dāng)_引起的錯(cuò)誤,可以通過重新布線或重新設(shè)計(jì)加以去除。然而,重復(fù)設(shè)計(jì)在許多情況下是被禁止的,因?yàn)檫@意味著成本的提高,研發(fā)周期的增加。仿真已成為高速信號(hào)設(shè)計(jì)的必要手段。根據(jù)仿真結(jié)果,獲得最佳解決方案,以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。危害：串?dāng)_可能是數(shù)據(jù)進(jìn)行高速傳輸中最重要的一個(gè)影響因素了。它是一個(gè)信號(hào)對(duì)另外一個(gè)信號(hào)耦合所產(chǎn)生的一種不受歡迎的能量值。根據(jù)麥克斯韋定律，只要有電流的存在，就會(huì)有磁場(chǎng)存在，磁場(chǎng)之間的干擾就是串?dāng)_的來源。這個(gè)感應(yīng)信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G失和傳輸錯(cuò)誤。 所以串?dāng)_對(duì)于綜合布線來說，無疑是個(gè)最厲害的天敵。表現(xiàn)方式：銅絲直徑越來越粗、扭矩越來越小、2根線

9、纜扭的越來越緊、線對(duì)之間的間隔物越來越多（十字骨架、鋁箔、麥拉、排流線、銅絲編織網(wǎng)）、頻率從16mhz到100mhz、250mhz、500mhz、600mhz等等但是串?dāng)_也跟著發(fā)生著變化從線對(duì)于線對(duì)之間的next、psnext、fext、elfext、psnext發(fā)展到線纜之間的anext、psanext,這些都是串?dāng)_的延伸,串?dāng)_的表現(xiàn)方式。 在串?dāng)_的測(cè)試中, 高的測(cè)試值（db）優(yōu)于低的測(cè)試值。因?yàn)榇當(dāng)_的數(shù)值是有用信號(hào)與噪音信號(hào)之間的比值。高的測(cè)試值意味著有用信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噪音，低的測(cè)試值意味著有用信號(hào)與噪音之間的差別不大，對(duì)于接收方來說，無法正確接收信號(hào)，造成數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象。crosstal

10、k與頻率有關(guān)，當(dāng)頻率的增加時(shí)，串?dāng)_值變得更低 ，這就需要增大銅絲直徑，增加線纜的扭矩，增加十字骨架將線纜隔開，增加外護(hù)套厚度或增加屏蔽層等等各種生產(chǎn)工藝來解決越來越棘手的串?dāng)_問題。 1 信號(hào)完整性原理1.1信號(hào)完整性概述信號(hào)完整性主要是指信號(hào)在信號(hào)線上傳輸?shù)馁|(zhì)量，當(dāng)電路中信號(hào)能以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)接收芯片管腳時(shí)，該電路就有很好的信號(hào)完整性。當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)或者信號(hào)質(zhì)量不能使系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作時(shí)，就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問題。我們聽說過很多信號(hào)完整性的問題，譬如：振鈴、反射、近端串?dāng)_、開關(guān)噪聲、非單調(diào)性、地彈、電源反彈、衰減、容性負(fù)載等。而所有這些都與下面四類特定噪聲源中的一個(gè)有關(guān)：?jiǎn)?/p>

11、一網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)完整性：?jiǎn)我痪W(wǎng)絡(luò)的信號(hào)完整性與信號(hào)路徑和返回路徑的物理特性有很大關(guān)系。當(dāng)信號(hào)從驅(qū)動(dòng)源輸出時(shí)，構(gòu)成信號(hào)的電流和電壓將互連線看做一個(gè)阻抗網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)信號(hào)沿網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)，它不斷感受到互連線引起的瞬態(tài)阻抗變化。如果信號(hào)感受到的阻抗保持不變，則信號(hào)就保持不失真。然而一旦阻抗發(fā)生變化，信號(hào)就在變化處產(chǎn)生反射，并在通過互連線的剩余部分時(shí)發(fā)生失真。兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_：網(wǎng)絡(luò)間的容性耦合和感性耦合，給有害噪聲從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)另一網(wǎng)絡(luò)提供了路徑。串?dāng)_發(fā)生在兩種不同的情況中：互連線為均勻傳輸線時(shí)（例如電路板上大部分走線）和互連線為非均勻傳輸線時(shí)（例如接插件和封裝）。當(dāng)感性耦合噪聲處于主導(dǎo)地位時(shí)，通常把這種串?dāng)_

12、歸為開關(guān)噪聲、i噪聲、di-dt噪聲、地彈、同時(shí)開關(guān)噪聲或同時(shí)開工輸出噪聲。這類噪聲是由耦合電感，即所謂互感產(chǎn)生。 通過了解容性耦合和感性耦合的本質(zhì)，可以優(yōu)化相鄰信號(hào)線的物理尺寸設(shè)計(jì)減小耦合。串?dāng)_的某些方面，特別是開關(guān)噪聲，會(huì)隨著互連線長(zhǎng)度的增加和上升沿的減少而增加。上升沿越短，產(chǎn)生串?dāng)_越嚴(yán)重。電源和地分配中的軌道塌陷：當(dāng)通過電源和地路徑的電流發(fā)生變化時(shí)，在電源路徑和地路徑間的阻抗上將產(chǎn)生一個(gè)壓降，這意味著供給芯片的電壓小了，可以看成是電源與地之間的電壓塌陷。在高性能處理器和一些專用集成電路中的趨勢(shì)是：低電壓供電，高功率消耗。這使得軌道塌陷越來越嚴(yán)重。 來自整個(gè)系統(tǒng)的電磁干擾和輻射：電磁干擾（

13、electro-magnetic interference）即emi，或者電磁兼容性（emi），是從一個(gè)傳輸線（例如電纜、導(dǎo)線或封裝的管腳）得到的具有天線特性的結(jié)果。電磁干擾產(chǎn)生的問題包含過量的電磁輻射及對(duì)電磁輻射的敏感性兩方面。1.2 串?dāng)_簡(jiǎn)介crosstalk(串?dāng)_)：是兩條信號(hào)線之間的耦合、信號(hào)線之間的互感和互容引起線上的噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流，而感性耦合引發(fā)耦合電壓。 pcb板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性及線端接方式對(duì)串?dāng)_都有一定的影響。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)價(jià)格越來越低，性能越來越好，局域網(wǎng)的傳輸速度越來越快，局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)也從同軸電纜轉(zhuǎn)向了雙絞線和光纖

14、，雙絞線從最初的cat1、cat3、cat5發(fā)展到了現(xiàn)在的cat5e、cat6、cat6a、cat7。 雖然雙絞線性能在一直不斷的提高但是有一個(gè)參數(shù)像幽靈一樣一直伴隨著雙絞線，而且伴隨著雙絞線的發(fā)展，這個(gè)參數(shù)也越來越重要。這個(gè)參數(shù)就是-串?dāng)_ (crosstalk)。 近端串?dāng)_：近端串?dāng)_（next），該串?dāng)_是當(dāng)設(shè)備在發(fā)送端傳輸?shù)男盘?hào)耦合到另一對(duì)線的相鄰接收端引起的。這是傳輸速率小于100mbps最重要的串?dāng)_。然而隨著傳輸數(shù)據(jù)的速率越來越高，雙絞線所有線對(duì)都需要傳輸數(shù)據(jù)即采用的是平行傳輸模式的方法。lan系統(tǒng)還會(huì)受到其他串?dāng)_的影響遠(yuǎn)端串?dāng)_（fext）和等效遠(yuǎn)端串音干擾（elfext）。遠(yuǎn)端串?dāng)_（f

15、ext）是指由電纜鏈路近端對(duì)別的線對(duì)上的信號(hào)引起的、感應(yīng)到遠(yuǎn)端線對(duì)上的信號(hào)。elfext是由衰減與fext相減而得的。相對(duì)于fext，elfext更具有實(shí)際意義，因?yàn)殡S著長(zhǎng)度的增加fext肯定會(huì)發(fā)生一定的變化，這就意味著，相同的線纜在不同的長(zhǎng)度，測(cè)得的fext為不同值，這也就無法衡量線纜的質(zhì)量，但是elfext由于引入了衰減這個(gè)參數(shù)，就使得在線纜測(cè)試時(shí)有更加實(shí)際的意義，所以測(cè)試報(bào)告中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)elfext而不是fext這個(gè)參數(shù)。 外部串?dāng)_：隨著傳輸速率的提高，比如目前火熱的802.3an標(biāo)準(zhǔn)10g base-t中，500mhz的高頻率使得以前可以忽略的線纜與線纜之間的干擾，也被開始考慮在其中，

16、這就是外部串?dāng)_anext（alien crosstalk），如果這個(gè)參數(shù)不合格，10gbps的速率就會(huì)大打折扣，甚至無法運(yùn)行。cat7直截了當(dāng)?shù)姆艞壏瞧帘谓Y(jié)構(gòu)，使用單對(duì)屏蔽加銅絲編織的屏蔽方法來解決線纜內(nèi)部之間的干擾和線纜外部之間的干擾，不得不說，串?dāng)_讓線纜結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。1.2.1 串?dāng)_信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理串?dāng)_是指一個(gè)信號(hào)在傳輸通道上傳輸時(shí)，因電磁耦合而對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生不期望的影響，在被干擾信號(hào)表現(xiàn)為被注入了一定的耦合電壓和耦合電流。過大的串?dāng)_可能引起電路的誤觸發(fā)，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。如圖1.2-1所示的電路，ab之間的門電路稱為干擾源網(wǎng)絡(luò)，cd之間的門電路稱為被干擾源網(wǎng)絡(luò)。只要干擾源一改變狀

17、態(tài)，我們就可以觀察到受害源處的脈沖串?dāng)_。圖1.2-1 串?dāng)_的干擾源網(wǎng)絡(luò)和被干擾網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在傳輸通道上傳輸對(duì)相鄰的傳輸線上引起兩類不同的噪聲信號(hào)：容性耦合信號(hào)與感性耦合信號(hào)，如圖1.2-2和圖1.2-3所示。圖1.2-2 電容耦合示意圖圖1.2-3 電感耦合示意圖容性耦合是由于干擾源上的電壓變化在被干擾對(duì)象上引起感應(yīng)電流通過互容而導(dǎo)致的電磁干擾，而感性耦合則是由于干擾源上的電流變化產(chǎn)生的磁場(chǎng)在被干擾對(duì)象上引起感應(yīng)電壓通過互感而導(dǎo)致的電磁干擾。1.2.2 串?dāng)_的計(jì)算串?dāng)_的計(jì)算是非常困難的，影響串?dāng)_信號(hào)幅度有3個(gè)主要因素：走線間的耦合程度、走線的間距和走線的端接。在前向和返回路徑上沿微帶線走線的電流分

18、布如圖1.2-4所示。在走線和平面間(或走線和走線之間)的電流分布是共阻抗的，這將導(dǎo)致因電流擴(kuò)散而產(chǎn)生的互耦，峰值電流密度位于走線的中心正下方并從走線的兩邊向地面快速衰減。圖1.2-4在前向和返回路徑上沿微帶線走線的電流分布當(dāng)走線與平面間的距離間隔很遠(yuǎn)時(shí)，前向和返回路徑間的環(huán)路面積增加，使得與環(huán)路面積成比例的電路電感增加。下式描述了使前向和返回電流路徑構(gòu)成的整個(gè)環(huán)路電感最小化的最優(yōu)電流分布。它所描述的電流也使存儲(chǔ)在信號(hào)走線周圍磁場(chǎng)內(nèi)的總能量最小。式中i（d）是信號(hào)電流密度，i0是總體電流，h是走線距地層的高度，d是距走線中心線的距離。各種串?dāng)_結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1.2-5所示，因?yàn)槲恢玫牟煌越Y(jié)

19、果也有所不同。（a）（b）（c）圖1.2-5各種串?dāng)_結(jié)構(gòu)的示意圖圖1.2-5（a）所示為同層傳輸線之間的情況。串?dāng)_表示為被測(cè)噪聲電壓與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的比。常數(shù)k依賴于電流上升時(shí)間及干擾走線的長(zhǎng)度，這個(gè)值總是小于1，在大多數(shù)情況下，近似取1。加大并行信號(hào)之間的間距或者減小信號(hào)與平面層之間的距離都有助于減小同層信號(hào)之間的串?dāng)_。對(duì)于距離介質(zhì)高度不同的微帶線，如下。對(duì)于處于不同層的帶狀線，如下，使用對(duì)兩個(gè)參考層高度的并聯(lián)來決定，然后再用下面的公式計(jì)算得到。由以上各式可看出，避免或最小化平行線間串?dāng)_的最好方法是最大化走線間隔或使走線更近參考層。長(zhǎng)時(shí)鐘信號(hào)和高速并行總線信號(hào)的布線應(yīng)該遵循這一規(guī)則。1.2.3串?dāng)_

20、的抑制高速pcb設(shè)計(jì)的整個(gè)過程包括了電路設(shè)計(jì)、芯片選擇、原理圖設(shè)計(jì)、pcb布局布線等步驟，設(shè)計(jì)時(shí)需要在不同的步驟里發(fā)現(xiàn)串?dāng)_并采取辦法來抑制它，以達(dá)到減小干擾的目的。不管是設(shè)計(jì)前的串?dāng)_計(jì)算，還是布局布線前的仿真，或是布局布線后的仿真，都是為了使pcb板能快速達(dá)到最小的干擾。因此需要在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用以前的經(jīng)驗(yàn)來解決現(xiàn)在的問題，以下就是有效避免布局布線中串?dāng)_的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：容性耦合和感性耦合產(chǎn)生的串?dāng)_隨受干擾線路負(fù)載阻抗的增大而增大，所以減小負(fù)載可以減小耦合干擾的影響。盡量增大可能發(fā)生容性耦合導(dǎo)線之間的距離，更有效的做法是在導(dǎo)線間用地線隔離。在相鄰的信號(hào)線間插入一根地線也可以有效減小容性串?dāng)_，這根地線需

21、要每1/4波長(zhǎng)就接入地層。感性耦合較難抑制，要盡量降低回路數(shù)量，減小回路面積，不要讓信號(hào)回路共用同一段導(dǎo)線。避免信號(hào)共用環(huán)路。在高速pcb設(shè)計(jì)的過程中，不僅需要對(duì)理論概念的詳細(xì)理解，同樣需要不斷的積累經(jīng)驗(yàn)，不斷完善理論。同時(shí)，對(duì)相關(guān)輔助軟件的熟練運(yùn)用也可以縮短設(shè)計(jì)周期，從而提高競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)設(shè)計(jì)的成功完成起到重要的作用。高速pcb板級(jí)、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括信號(hào)串?dāng)_在內(nèi)的信號(hào)完整性問題越來越不容忽視，因此需要設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)π盘?hào)完整性問題有全面的規(guī)劃與考慮，在設(shè)計(jì)周期的各個(gè)階段采用不同的方法來確保設(shè)計(jì)快速、精確地完成，從而節(jié)約時(shí)間、避免重復(fù)設(shè)計(jì)。1.3 hyperlynx軟件概念介紹

22、hyperlynx為pcb 設(shè)計(jì)人員提供得心應(yīng)手的工具，以解決高速和信號(hào)完整性問題。hyperlynx包括前仿真工具：line sim和后仿真工具：boardsim。主要特點(diǎn)：a.易學(xué)易用b.使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ibis模型c.主要pcb產(chǎn)品都提供接口d.探索pcb物理規(guī)則以解決信號(hào)完整性問題e.通過布局前仿真解決串?dāng)_問題f.很容易找到準(zhǔn)確的端接方式g.在樣機(jī)或生產(chǎn)之前找到和解決信號(hào)完整性問題h.通過輻射的預(yù)測(cè)和電流的計(jì)算，對(duì)emi/emc失敗提供預(yù)警i.提供到xtk, eplanner, icx, hspice 的鏈接串?dāng)_(crosstalk)分析在你的板子上進(jìn)行串?dāng)_(crosstalk)分析將有助

23、于你預(yù)測(cè)它在高速pcb設(shè)計(jì)中的問題。它將讓你成為一個(gè)見多識(shí)廣的專家，決定有關(guān)互連(interconnect)編輯的問題以及受到的影響。這個(gè)串?dāng)_(crosstalk)分析將計(jì)算所有類型的設(shè)計(jì)情況，從簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)線之間到今天復(fù)雜的背板設(shè)計(jì)中物理的高速總線拓樸結(jié)構(gòu)。hyperlynx的布局布線前和布局布線后串?dāng)_(crosstalk)分析工具快速容易地提供精確的結(jié)果，節(jié)約你的時(shí)間，避免原理樣機(jī)反復(fù)設(shè)計(jì)制造而帶來的開銷。強(qiáng)大的串?dāng)_(crosstalk)分析a. 集成電路的電磁場(chǎng)解決方案(electromagnetic field solver)b. 精確地預(yù)測(cè)串?dāng)_(crosstalk)的波形，包括對(duì)于

24、任何導(dǎo)線拓?fù)浜蚷c布局正向和反向的影響c. 容許任何aggressor和victim網(wǎng)絡(luò)的組合d. 使用快速的邊界元素場(chǎng)解決方案，自動(dòng)地從區(qū)域串?dāng)_(cross-sectional)提取電磁偶合參數(shù)(rlc和g)e. 顯示電和磁場(chǎng)的曲線f. 建議優(yōu)化的避免串?dāng)_(crosstalk)的信號(hào)端點(diǎn)電阻范圍g. 生成導(dǎo)線阻抗(impedance)、信號(hào)傳播延時(shí)、電容性和電感性偶合參數(shù)h. 包括驅(qū)動(dòng)ic反射影響i. 精確地仿真短線和長(zhǎng)線的串?dāng)_(crosstalk)j. 當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要時(shí)，支持多個(gè)同時(shí)發(fā)生的aggressor和victim網(wǎng)絡(luò)k. 交互式的串?dāng)_(crosstalk)，快速整板分析能力，批處理

25、串?dāng)_(crosstalk)分析，具有電子表格接口方式的批處理能力(兼容excel和lotus 1-2-3)l. 對(duì)于沒有模型的網(wǎng)絡(luò)具有缺省的ic模型自動(dòng)選擇能力hyperlynx ghz 包括一整套布局布線前后的信號(hào)完整性分析、串?dāng)_分析和emc 分析的工具2 仿真分析mentor graphics公司的hyperlynx軟件是業(yè)界應(yīng)用最為普遍的高速pcb仿真工具。它包括布局布線前(linesim )和布局布線后(boardsim )及多板分析功能,可以幫助設(shè)計(jì)者對(duì)電路板上頻率低至幾十兆赫茲,高達(dá)千兆赫茲以上的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)完整性與電磁兼容性仿真分析,消除設(shè)計(jì)隱患,建立設(shè)計(jì)約束規(guī)則,提高設(shè)計(jì)成功率

26、,縮短研發(fā)周期。在高速pcb板上,一條信號(hào)線會(huì)受到多條信號(hào)線的電磁干擾。但是毗鄰的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)受害網(wǎng)絡(luò)造成的串?dāng)_最為顯著。為了使串?dāng)_達(dá)到最大化,更接近實(shí)際,所以建立一個(gè)受害線(victim)和兩個(gè)攻擊線(aggressor)的三線系統(tǒng),如圖2。圖 2 三線系統(tǒng)原理和具體線路仿真參數(shù)設(shè)置為:頂層設(shè)置為微帶線,電介質(zhì)常數(shù)為4.0,5層板,走線寬度 = 6 in,走線長(zhǎng)度= 12 mils。信號(hào)驅(qū)動(dòng)器和接受器均采用cmos高速器件模型。 pcb 疊層結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖3。串?dāng)_是在上升沿和下降沿電流變化時(shí)產(chǎn)生的,由多種因素造成的結(jié)果。例如線間距、線寬度等都對(duì)串?dāng)_分別有一定的影響。下面分別就這幾個(gè)方面進(jìn)行仿真,

27、分析對(duì)串?dāng)_的影響(以下都是對(duì)三線系統(tǒng)進(jìn)行仿真,而且都是分析遠(yuǎn)端串?dāng)_) 。圖 3pcb 疊層結(jié)構(gòu)2.1 linesim 串?dāng)_分析linesim 的串?dāng)_選項(xiàng)可以制定布線前的布線約束，可以研究控制一般總線上的串?dāng)_的不同方法。圖 4布線前的布線約束2.1.1 總線設(shè)計(jì)的間距設(shè)計(jì)一個(gè)總線，保證在每一根總線上的互相串?dāng)_不超過200mv，用 linesim的串?dāng)_仿真功能來達(dá)到您的目標(biāo)，建立合適的布線約束條件規(guī)則。2.1.2 建立基本的傳輸線在圖2中的三線系統(tǒng)中建立一組三個(gè)相鄰的走線。點(diǎn)擊工具條上的新建 linesim原理圖圖標(biāo)，建立一個(gè)新的 linesim原理圖。在“coupled”中選擇單選按鈕“stac

28、kup”將進(jìn)入“add to coupling regions”對(duì)話框頁，（new coupling）將出現(xiàn)在左邊的窗口中?，F(xiàn)在點(diǎn)擊“edit coupling region”表頁， laye設(shè)為“3, signal, innersignal1”，傳輸線類型分別設(shè)為“aggressor 1”，“victim”，“aggressor 2” 。圖 5建立三組相鄰走線如圖 5，設(shè)置一組三個(gè)相鄰的走線，在對(duì)話框的頂部，在 name域中輸入“generic bus example ”，改變長(zhǎng)度為 12.0 inches。2.1.3 指派 ic 模型下一步，指派 ic 模型。右鍵點(diǎn)擊 cell:a0位置上

29、的 ic 符號(hào)，將出現(xiàn)一個(gè)“assign models”對(duì)話框。a0，a2 的ic model設(shè)置“easy.mod”“cmos，3.3v，faster”。請(qǐng)注意在 ic 符號(hào)的“assign models”對(duì)話框中指派的模型默認(rèn)為“input”類型。通過選擇對(duì)話框中的“buffer setting ”改變u(a0) 和u(a2) 類型“output”類型。在仿真這個(gè)設(shè)計(jì)之前，我們將驅(qū)動(dòng)端 u(a0)更改為更快的器件，以便在示波器仿真時(shí)與 u(a2)的波形不至于重疊：“assign models” “select”在“assign models”對(duì)話框中點(diǎn)擊 u(a0)。再點(diǎn)擊“select”

30、按鈕，將 其“cmos 3.3v ultra-fast”，其中“buffer settings”項(xiàng)目中選擇“stuck low”，這表示在仿真中這個(gè)信號(hào)是保持在不變的低電平。此時(shí)，中間的走線驅(qū)動(dòng)器旁邊的“0”，這時(shí)驅(qū)動(dòng)是“struck low”的。圖 6指派ic模型2.1.4 victim與aggressor線將各驅(qū)動(dòng) ic設(shè)置為這種方式（中間走線設(shè)定為“stuck low”外面的走線設(shè)定為開關(guān)信號(hào)）是因?yàn)槲覀兿雽⒅虚g的走線定義為“victim”（受害者）和將 外面的兩根線定義為“aggressors”（攻擊者） 。例如，我們想看看當(dāng)周圍的走線 有開關(guān)跳變時(shí)，將在這根中間的走線上產(chǎn)生多大的串?dāng)_

31、。但是請(qǐng)注意我們并沒有 讓中間的這根走線完全沒有驅(qū)動(dòng)，我們給它指派的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，但是將其設(shè)定為 靜態(tài)。victim的 ic驅(qū)動(dòng)模型很重要，因?yàn)榈妥杩沟尿?qū)動(dòng)產(chǎn)生的反射將超過串?dāng)_的能量。請(qǐng)注意關(guān)于“victims”和“aggressors”linesim 可以仿真任何混合的“victim”和“aggressor”走線事實(shí)上，仿真器并不區(qū)分它們之間的差別。通常地，您總是指定一根被設(shè)定為開關(guān)信號(hào)的走線為“aggressors”而另一根被觀察串?dāng)_信號(hào)的走線為“victims”在這個(gè)仿真中，我們也可以將中間的這根走線設(shè)定為開關(guān)信號(hào)，在這種情況下它就成為既是aggressor也是 victim 的走線了。2

32、.1.5 耦合域linesim的串?dāng)_功能可以讓您在任何的 linesim原理圖中增加耦合信息。在 原理圖中的任何走線可以通過簡(jiǎn)單地點(diǎn)擊右鍵改變它的類型為“coupledstackup”而且可以定義任何數(shù)量的耦合域，任何一根線可以被增加到任意的一個(gè)耦合域中去。當(dāng)一根傳輸線被設(shè)定為耦合時(shí)，在原理圖編輯器中的顯示與未耦合的走線是不同的。在原理圖中，將鼠標(biāo)指向任何一根傳輸線。請(qǐng)注意傳輸線周圍黃色的高亮方框，以及通過鼠線相連的同一電磁耦合域中的其他傳輸線。一旦一些傳輸線被定義為一個(gè)耦合域，域中的各屬性以及長(zhǎng)度等可以被定義，以便精確地符合您需要仿真的條件，而且這個(gè)定義是通過幾何圖形方式的，將這個(gè)幾何圖形方

33、式的參數(shù)轉(zhuǎn)化為電磁參數(shù)就是 linesim的工作了。在右下角的阻抗列表中列出了電特性的概要（需要更多的電特性數(shù)據(jù)，請(qǐng)看后面）。剛才定義的耦合域如下：走線都是 6 mils寬和 8 mils間距（邊到邊）耦合走線的長(zhǎng)度為 12 inches現(xiàn)在耦合域沒任何改變，對(duì)目前的參數(shù)設(shè)置情況下做一個(gè)仿真，觀察其能產(chǎn)生多大的串?dāng)_。而設(shè)計(jì)目標(biāo)是串?dāng)_不超過 200mv。觀察此時(shí)產(chǎn)生的串?dāng)_，波形幅度大的為接收端的串?dāng)_，幅度較小的為驅(qū)動(dòng)端的串?dāng)_。圖7 victim走線接收端和驅(qū)動(dòng)端串?dāng)_仿真一下現(xiàn)在的原理圖的耦合域，點(diǎn)擊工具條上的示波器圖標(biāo)按鈕（open oscilloscope/simulator） 或者從菜單的

34、simulate - run scope，將打開數(shù)字示波器的窗口。確認(rèn) driver waveform選項(xiàng)被設(shè)置為“edge”“falling edge”以及ic 模型被設(shè)置為“typical”點(diǎn)擊開始仿真“start simulation”按鈕。此時(shí)藍(lán)色波形最大串?dāng)_為612mv，后續(xù)波形都將用這個(gè)波形作為參考。2.1.6 增加線距減小串?dāng)_減小串?dāng)_的一個(gè)明顯的辦法就是增加走線之間的間距。編輯耦合域，增加線間距從 8 mils 到 16 mils，重新仿真。在“coupling region”列表中，點(diǎn)擊選擇列表中的傳輸線“tl(a1:b1), victim”，在“trace-to-trace

35、separation”區(qū)域，在“l(fā)eft”和“right”編輯框中 輸入 16，以增加線間的間距。同時(shí)在圖形顯示中的間距也變得更大了。點(diǎn)擊“確定”關(guān)閉對(duì)話框，然后點(diǎn)擊工具條上的示波器圖標(biāo)，打開示波器仿真窗口。點(diǎn)擊開始仿真“start simulation”按鈕。如圖 8（b），這時(shí)最大串?dāng)_值（藍(lán)色波形）已經(jīng)減小了，由接近612mv降到了250mv，但是還是超過了設(shè)計(jì)允許范圍。圖8（a）線間距為8 in的串?dāng)_圖8（b）線間距為16 in的串?dāng)_2.1.7 減小介質(zhì)層厚度除了改變線間距，還有許多辦法可以影響串?dāng)_。有時(shí)可以通過調(diào)整 pcb的疊層結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整疊層結(jié)構(gòu)來對(duì)串?dāng)_也會(huì)有影響。編輯 pcb 疊

36、層，減小參考層與內(nèi)信號(hào)層 的間距從 10mils改為 5mils；然后重新仿真。最小化示波器窗口。將“vcc” 和“inner1”之間的介質(zhì)層 thickness 的 10改為 5。同樣點(diǎn)擊位于“gnd”和“inner2”之間的介質(zhì)層，將thickness的 10改為 5。點(diǎn)擊開始仿真“start simulation”按鈕。通過選擇和取消示波器窗口右邊的“previous result”復(fù)選框，將修改參數(shù)后的結(jié)果與剛才的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖 9（a）介質(zhì)層為10 mils的串?dāng)_圖9（b）介質(zhì)層為5 mils的串?dāng)_圖9（b）中， victim 線接收端的最大串?dāng)_值已經(jīng)大大地降低了，為 258mv，

37、目前的設(shè)置基本上可以達(dá)到我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。一般來說，串?dāng)_可以被許多因素所影響，例如：驅(qū)動(dòng) ic 的技術(shù)、線間距、線寬、線長(zhǎng)、端接（串?dāng)_需要更加比單端線復(fù)雜的端接）和 pcb疊層（疊層順序和介質(zhì)的厚度）等。2.1.8 凈化aggressor信號(hào)最后，請(qǐng)注意 aggressor 1 和 aggressor 2上的藍(lán)色和橙色的波形上的過沖，如果我們能夠端接這兩根傳輸線，將會(huì)大大減小串?dāng)_。點(diǎn)擊工具條上的“open terminator wizard”按鈕圖標(biāo)。 u(a0)的“apply tolerance”會(huì)建議aggressor 1傳輸線上增加一個(gè) 56 ohm的串連端接電阻。u(a0)右邊的電阻符號(hào)

38、（傳輸線左的“resistor”輸入 70。對(duì)于 u(a2)重復(fù)以上的兩個(gè)步驟。返回示波器窗口重新仿真。這時(shí)，波形有了很大的改善，串?dāng)_峰值只有93mv。圖10（a）沒有凈化aggressor信號(hào)的串?dāng)_圖10（b）凈化aggressor后信號(hào)的串?dāng)_2.1.9 victim 網(wǎng)絡(luò)的端接在 victim 線上的串?dāng)_值已經(jīng)達(dá)到了我們的設(shè)計(jì)要求，這個(gè)演示就到此為止。 但是，如果這根線上的驅(qū)動(dòng)器為時(shí)鐘沿 1ns，那么我們就應(yīng)該繼續(xù)，并最好在這 根網(wǎng)絡(luò)上增加端接。左鍵點(diǎn)擊 victim 網(wǎng)絡(luò)上的串連電阻，象 agressor一樣加入一個(gè)56 ohms的串連電阻。右鍵點(diǎn)擊 u(a1)，將其從“stuck low”改為“output”類型。觀察綠色 u(b1)的信號(hào)下降沿。圖11（a）未端接時(shí)線的串?dāng)_圖11（b）端接時(shí)線的串?dāng)_圖11 ( a)是沒有對(duì)victim 進(jìn)行端接的串?dāng)_波形圖,其串?dāng)_峰值為612mv。利用終端向?qū)г趘ictim線上串行端接阻值為56ohms的電阻，其串?dāng)_波形如圖11 ( b) ，峰值為220mv。顯然，對(duì)victim線上采用端接技術(shù)同樣會(huì)減小串?dāng)_ 。3 結(jié)論串?dāng)_在高速高密度的電路設(shè)計(jì)中普遍存在，串?dāng)_對(duì)系統(tǒng)的影響一般都是負(fù)面的。為減小串?dāng)_，最基本的就是讓干擾源網(wǎng)絡(luò)與被干擾網(wǎng)絡(luò)之間的耦合越小越好。在高密度復(fù)雜的pcb設(shè)計(jì)中完全避免串?dāng)_是不可能的，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮