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為高速設計實現SI/PI分析

上網時間: 2015年02月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:訊號完整性  功率完整性  PDN  模擬 

作者:Patrick Carrier,Mentor Graphics技術行銷工程師

訊號完整性(SI)和電源完整性(PI)是兩種不同但領域相關的分析,涉及數位電路正確作業。在訊號完整性中,重點是確保傳輸的1在接收器中看起來就像1(對於0也同樣如此)。在電源完整性中,重點是確保為驅動器和接收器提供足夠的電流以發送和接收1和0。因此,電源完整性可能會被認為是訊號完整性的一個組成部份。實際上,它們都是關於數位電路正確類比作業的分析。

分析的必要性

如果運算資源是無限的,這些不同類型的分析可能不存在。整個電路將會被分析一次,而電路中某一部份的問題將可被辨識並消除。但除了受實際上可模擬哪些事物的現實約束之外,具有不同領域分析的優點在於可成組地解決特定問題,而無需歸類為“可能出錯的任何事物”。例如,在訊號完整性中,重點是從發射器到接收器的鏈路,因此可僅為發射器和接收器以及中間的一切事物製作模型。這使得模擬訊號完整性變得相當簡單。另一方面,要模擬電源完整性可能有點困難,因為‘邊界’有點不太明確,而且實際上對訊號完整性領域中的項目具有一定的依賴性。

在訊號完整性中,目標是消除關於訊號品質、串擾和計時的問題。所有這些類型的分析都需要相同類型的模型,包括驅動器和接收器、晶片封裝及電路板互連(由走線及過孔、分離式元件和/或連接器組成)的模型。驅動器和接收器模型包括關於緩衝器阻抗、邊際速率和電壓擺幅的資訊。通常,IBIS或SPICE模型作為緩衝器模型。這些模型與互連模型結合使用以執行模擬,因而確定接收器中的訊號情況。

互連主要包括行為類似於傳輸線的電路板走線。此類傳輸線具有阻抗、延遲和損耗特性。它們的特性決定了所連接的驅動器和接收器以及彼此進行互動的方式。互連的電磁特性必須使用某種類型的場解算器進行求解,該場求解器可利用與訊號完整性模擬器結合使用的電路元件或 S 參數模型來描述其特徵。大多數走線均可建模為一個均勻的二維橫截面。該橫截面足以計算走線的阻抗特性。阻抗將會影響訊號線上接收器中的波形形狀。最基本的訊號完整性分析包括設置電路板疊層(包括適當的介電層厚度),以及查找正確的走線寬度,以實現一定的走線目標阻抗。

相較於過孔,對走線進行建模相對上較容易。當對較快的訊號進行訊號完整性分析時,適當的過孔建模就變得非常重要。通常,十億位元訊號必須採用3D場解算器對模型特徵進行適當地描述。幸運的是,這些訊號往往是不同的,這使它們的影響相對局部化。穿過過孔的快速、單端訊號與配電網路(PDN)進行強有力地互動。從這些過孔返回的電流穿過附近的縫合過孔、縫合電容器和/或平面對,組成PDN且需要建模以進行電源完整性分析的元件相同。

圖1:在走線橫截面、訊號過孔和 PDN 上的能量傳播。
圖1:在走線橫截面、訊號過孔和 PDN 上的能量傳播。

在電源完整性分析中,較高頻率的能量分佈在整個傳輸平面上。這使得該分析比基本訊號完整性更複雜,因為能量將沿x和y方向移動,而不是僅沿傳輸線一個方向移動。在直流(SC)電源中,建模需要運算走線的串聯電阻、平面形狀和過孔相對較為簡單。但在高頻率時,分析PDN的不同位置上電源與地面之間的阻抗需要複雜的運算。阻抗將根據電路板的位置(電容器的放置位置、安裝方式、類型以及電容器值)而異。高頻行為(如安裝電感和平面擴散電感)必須包括在建模中,以便產生準確的去耦分析結果。在簡單版的去耦分析(通常稱為集總分析)中,PDN將會被視為一個節點來計算阻抗。這通常是可一次性成功的有效且快速初步分析,能確保有足夠的電容器以及具有正確的值。然後,執行分散式去耦分析則確保在電路板的不同位置滿足PDN的所有阻抗需求。

訊號完整性模擬

訊號完整性模擬著重於分析有關高速訊號的3個主要問題:訊號品質、串擾和時序。對於訊號品質,目標在於獲取具有明確邊緣而無過度過衝和下衝的訊號,這通常可以經由添加某種類型的端接以使驅動器的阻抗與傳輸線的阻抗相匹配來解決這些問題。對於多點分支匯流排,並非總能匹配阻抗,因此,必須將端接和拓撲的長度變化相結合來控制反射,使其不至於對訊號品質和時序產生不利影響。

圖2:使用訊號完整性分析和設計空間探索,消除了訊號品質與串擾的問題。
圖2:使用訊號完整性分析和設計空間探索,消除了訊號品質與串擾的問題。

執行這些相同的模擬可確定訊號經過電路板時的傳輸時間。電路板時序是系統時序的一個重要組成部份,並且受到線路長度、經過電路板時的傳播速度以及接收器中波形形狀的影響。由於波形的形狀確定了接收訊號穿越邏輯閾值的時間,因此,它對於時序來說是非常重要的。這些模擬通常可驅動走線長度約束的變化。

經常執行的另一種訊號完整性模擬是串擾。這涉及多條相互耦合的傳輸線。隨著走線擠進密集的電路板設計,瞭解彼此間正相互耦合多少能量,這對於消除因串擾產生的錯誤是非常重要的。這些模擬將推動走線之間的最小間距要求。

電源完整性模擬

在電源完整性分析中,主要的模擬類型有直流壓降分析、去耦分析和雜訊分析。直流壓降分析包括對PCB上複雜走線和平面形狀的分析,適用於確定銅的電阻將損失多少電壓。此外,還可以使用直流壓降分析來確定高電流密度區域。實際上,可以使用熱模擬器為其進行協同模擬以確認熱效應。所幸針對直流壓降問題的解決方案非常簡單:添加更多的金屬。這些額外金屬可能會採用更寬和/或更厚的走線以及平面形狀、額外平面或額外過孔。

圖3:電流密度和溫度圖顯示PI/熱協同模擬的‘熱點’。
圖3:電流密度和溫度圖顯示PI/熱協同模擬的‘熱點’。

上面簡要討論的去耦分析旨在確定和大幅減少電路板不同IC位置上電源與地面之間的阻抗。去耦分析通常會驅動PDN中所用的電容器值、類型和數量的變化。因此,它必須包括寄生電感和電阻的電容器模型。它還可驅動電容器安裝方式的變化和/或電路板疊層的變化,以滿足低阻抗要求。

雜訊分析的類型可能有所不同,包括圍繞電路板傳播且來自IC電源接腳中的雜訊,這可透過去耦電容器對其進行控制。透過雜訊分析,可以調查雜訊如何從一個過孔耦合到另一個過孔,從而對同步開關雜訊進行分析。在許多情況下,這種雜訊是由訊號切換(從1到0及從0到1)引起的,因此與訊號完整性密切相關。但在所有情況下,這些電源完整性分析的最終目標是驅動PDN的變化:電源/接地平面對、走線、電容器和過孔。

表 1:訊號完整性和電源完整性之間的差異
表 1:訊號完整性和電源完整性之間的差異

完整性的混合

PDN不僅充當為IC提供電流的方法,還可作為訊號的返回電流路徑。訊號完整性與電源完整性之間的大量交叉發生在過孔中。對於穿過過孔的單端訊號來說,PDN充當該訊號的返回電流路徑。附近的過孔或電容器為返回電流提供路徑,以使其從一個平面移至下一個平面。因此,PDN實際上決定了該單端過孔的阻抗和延遲特性,並且對於更快的單端訊號(如DDR3和DDR4)的精確建模來說是至關重要的。使用這一相同的SI/PI組合過孔模型,可以分析從一個過孔到下一個過孔的耦合,以及訊號通過過孔到PDN的耦合。

同樣地,PDN對於大幅減少可能由多個訊號切換(通常稱為SSN)引起的雜訊來說是至關重要的。如果在IC電源接腳中的PDN阻抗太高,當所有的驅動器同時切換時,其切換電流將產生電壓,而該電壓可在訊號本身觀察到。透過利用去耦分析設計一個出色的低阻抗PDN可消除此問題——完整且全面性地模擬此問題,可查看對於訊號的影響,以及要求能夠同時執行訊號完整性分析和電源完整性分析。驅動器的SPICE模型傳統上用於執行此類分析,但更新的IBIS模型也具有相應的基礎架構,以包括在查找訊號完整性時的PDN影響。

訊號完整性和電源完整性的分析是至關重要的。它們為需要進行哪些設計更改提供了有價值的見解。此外,隨著建模方法和運算能力提升,如果能夠同時模擬這兩種類型的完整性,則可清楚地瞭解電路的實際行為、設計中真正存在的利潤以及它們如何實現最佳性能。

(參考原文:Signal integrity and power integrity in high-speed design,by Patrick Carrier)





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