高速互連系統(tǒng)的信號完整性研究.pdf

1、隨著數(shù)字電路速率及時鐘頻率的不斷提高，在高速系統(tǒng)中，高速信號經(jīng)過互連線時會產(chǎn)生延遲、反射、衰減、串擾、色散等信號完整性問題。信號完整性問題已成為高速數(shù)字系統(tǒng)設計是否成功的關鍵問題之一。對于傳輸速率達幾百Mbps甚至數(shù)Gbps的高速數(shù)字信號，其有效頻譜已擴展至微波甚至毫米波頻段，在復雜互連系統(tǒng)中傳輸時已表現(xiàn)出明顯的波特性，因此信號完整性問題的分析本質(zhì)上是求解一個復雜的電磁場邊值問題。為了精確分析這種復雜的電磁效應，唯一可行的方法是采用基于

2、電磁場理論的全波電磁分析方法。本文圍繞電磁建模仿真這一主軸，結合電路系統(tǒng)的分析方法及實驗測試，在頻域和時域(經(jīng)傅立葉變換)對高速互連系統(tǒng)(特別是高速背板互連系統(tǒng))及500Mbps高速系統(tǒng)進行信號完整性分析，主要研究互連系統(tǒng)是如何影響高速信號傳輸?shù)?；然后從這些分析結果中得出結論，建立設計規(guī)則，從而指導高速電路的設計，解決信號完整性問題；其目的在于確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸，保證高速電路系統(tǒng)具有良好的信號完整性。本文在理論和應用方面所做的工作主要包

3、括： 1.首次從理論上系統(tǒng)地推導出各種差分電路的混合模S參數(shù)級聯(lián)公式；并根據(jù)混合模S參數(shù)的定義，推導出不同拓樸結構差分電路的混合模S參數(shù)表達式，及其相應的標準S參數(shù)與混合模S參數(shù)的轉(zhuǎn)換關系式；并將混合模S參數(shù)理論用于高速差分互連和500Mbps高速系統(tǒng)的信號完整性分析。 2.主要基于實驗研究，并結合三維全波電磁仿真軟件在頻域和時域?qū)Ω咚倩ミB中常見的不同特性阻抗(線寬)、長度、PCB板厚度、PCB板介電常數(shù)的微帶互連線以及

4、不同類型的傳輸線，如：接地共面波導、帶狀線和嵌入式微帶線的信號完整性性能進行分析，并對接地共面波導的諧振現(xiàn)象和傳輸特性進行了詳細的理論分析；然后采用混合模S參數(shù)的理論對高速互連中常用的差分微帶線和差分帶狀線的信號完整性性能進行頻域的仿真分析。 3.主要基于實驗研究，并結合三維全波電磁仿真軟件及電路系統(tǒng)仿真軟件在頻域和時域?qū)Ω咚倩ミB線中常見的不連續(xù)性，如：走線拐彎、導帶寬度跳變、端接負載失配及過孔的信號完整性性能進行分析；然后采用

5、混合模S參數(shù)的理論對各種高速差分互連的不連續(xù)性，如：差分線走線拐彎、導帶寬度跳變及差分過孔進行頻域的信號完整性仿真分析，從而了解差分互連不連續(xù)性在傳輸高速信號時的各種工作模式特性。 4.首次提出了一種自適應區(qū)域分解時域有限差分方法，并用于高速互連的信號完整性分析，可以加快計算時間，提高計算復雜問題的效率。這種方法是將待解問題劃分為若干獨立的FDTD子區(qū)域，并在子區(qū)域之間建立連接邊界條件和相應的邊界檢測準則，以便在各子區(qū)域之間進行

6、自適應檢測；將波沒有傳播到的子區(qū)域置于休眠狀態(tài)，子域邊界上檢測到激勵信息時，再激活該子域，進行傳統(tǒng)的FDTD迭代計算。通過對二維的波導系統(tǒng)和三維高速互連微帶線及多層微帶互連結構的分析實例，驗證了該方法的正確性和有效性。 5.主要基于實驗研究，并結合三維全波電磁仿真軟件和電路系統(tǒng)仿真軟件在頻域和時域?qū)Σ煌暾麉⒖济婊ミB線(非理想返回路徑)，如：參考面上不同寬度、長度的槽縫、旁路電容的設置以及網(wǎng)孔狀參考面上的互連線、不完整參考面上差分

7、互連的信號完整性性能進行分析；然后通過實際測試分析了不完整參考面對互連線間耦合的影響以及具有共同返回路徑的互連線間的串擾。此外，通過頻域的測試和仿真，對單端互連線在不同間距、線間鋪設地線、不同終端負載阻抗和傳輸線阻抗不連續(xù)性情況下的串擾以及差分互連線之間串擾分別進行了仔細的研究。 6.設計了500Mbps高速數(shù)字電路實驗驗證系統(tǒng)的LVDS背板，并對該系統(tǒng)的時域響應和眼圖進行了實際測量；利用三維全波電磁仿真軟件HFSS對500Mb