【硕士论文】基于IBIS模型的高速电路信号完整性研究.pdf

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1、上海交通大学博士学位论文基于IBIS模型的高速电路信号完整性研究姓名：蔡兴建申请学位级别：博士专业：电磁场与微波技术指导教师：毛军发2000.12.1●一一．圭查兰兰奎兰堡圭茎竺丝圭基于IBIS模型的高速电路信号完整性研究摘要／，(集成度和电路规模的提高使高速集成电路系统中的互连线数目剧增，导致系统中互连线的密度和长度都有所增加。在提高集成度的同时，集成电路的工作速度也在不断上升。随着特征尺寸的减小、集成规模的扩大和时钟频率的提高，信号连接线所呈现出的互连效应已成为高速集成电路中影响信号完整性的重要因素。解决信号完整性闯题的途径是通过对包括非线性器件在内的高速

2、电路连接系统的电特性进行分析研究从而寻找能最大程度减小这种影响的连接线结构的优化设计方案。在许多实际应用中，为了对高速集成电路连接线及封装结构的电特性进行仿真，首先必须对缓冲器(Buffer)在内的器件及器件之间的互连线建立模型库。现有缓冲器建模方法依赖于实际的电路设计．这样将透露关于缓冲器设计工序及其底层布线工序的详细的敏感信息。通常这种方法模拟速度缓慢，具有不准确性，而且不与大多数经销商的模拟平台兼容。采用IBIS模型则可克服这些缺点。目前为止，我们可获得的高速电路的模拟程序，无论是Spice、Pspice或者我们上海交通大学EMlab开发的VHIHAS都

3、难于直接采用Buffer的IBIS模型中的VII曲线数据、封装寄生参数以及波形上升速率及下降速率等参数对包含I／oBuffer在内的双面板电路进行电特性模拟。1本文针对这些情况，}在建立IBIS模型的基础上对高速电路信号完整性问题展开了研究。。第二章针对工作在几十兆赫兹以下的高速互连电路，采用优化拟合方法将Buffer的IBIS模型参数转换成组成Buffer的MOS管和二极管的Spice标准模型的参数并同时得到寄生电感、寄生电阻、寄生电容和伴随电容的模型参数。在第三章，针对工作在GHz以上的高速互连电路，给出一种方法采用最新版本IBIS数据构建一个可以直接用于

4、SPICE的高速数字110缓冲器瞬态行为模型，并给出了基于两对开关VT(电压对时间)表的更加精确的模型，同时获得了基于一对开关vT表精确建模所需要的充分条件。第四章首先证明了非时变线性电路元件对改进结点法导纳矩阵【叼的贡献也是非时变的。(在此定理基础上推导出了仿真含互连线的高速非线性电路的快速时域算法～部分矩阵消元(PME)方法。详细的效率分析表明，对于线性电路或者含较小比例非线性电路器件的轻度非线性电路，在不采用任何数值近似的情况．下，采用PME方法进行电路仿真，其仿真效率比一般的电路仿真方法至少提高2．0倍。更进一步研究表明，如果需要通过调整一，部分电路元

5、件来调试一个电路，那么将这部分元件当作非线性器件处理，采用PME方法可以加速电路的调试过程。论文第五章列举了两个信号完按性分析应用实例用于验证第三章建立的IBIS瞬态行为模型和第四章提出的PME方法的有效性。为了适应高速双面共面结构印刷电路板的不规则结构，采用三维电磁参数提取取代两维提取。在论文第五章前面部分对整个双面共面结构的PCB电路，用部分元等效电路(PEEC)方法对任意形状接地／馈电板自动分割后的单元建模，在频域采用块Arnoldi规模缩减方法后．用部分高斯消元方法对包括I／O缓冲器在内的非线性电路的状态方程进行时域响应分析。最后，将高速双面共面结构印

6、刷电路板电特性仿真结果与实际测试结果进行比较，其一致性表明了方法的有效性。{在论文第五章后面部分采用ABCD矩阵法对传输高速信号的背板上具有频变参数的互连线建立等效时域网络模型，与接插件等效传输线模型和端接的I／O缓冲器IBIS瞬态行为模型一起，对实际电路进行仿真，其结果与Ansoft公司的PNC软件的仿真结果相吻合。最后，给出了评估信道品质的伪随机码信号眼圈。／考虑到高速集成互连电路设计的特性，一般其最优值只是在初值的较小邻域，所以可以采用收敛到局部最优解的优化方法以减少优化的计算负担．、本文第六章在改进节点法(MNA)的传输线模型和灵敏度分析模型的基础之上

7、，采用了基于BFGS拟牛顿法和有效集方法的Han—Powell法(亦称为序列二次规划SOP法)优化方法，同时实现了对高速集成且适电路的信号延时、过冲／过欠、串扰以及芯片内同步开关噪声的优化。关键词：信号完整性，IBIS瞬态行为模型，部分矩阵消元法，双面共面结构印刷电路板背扳互连线，序列二次查找方法1l●●STUDYOFSIGNALINTEGRITYINHI．GH-SPEEDCIRCUITSBASEDONIBISMODELABSTRACTTheimprovementofintegrationscaleresultsinmoreandmoreinterconnec

8、tsinintegratedcircu