【硕士论文】高速数字PCB板互连噪声建模与仿真研究.pdf

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1、电子科技大学硕士学位论文高速数字PCB板互连噪声建模与仿真研究姓名：韩海涛申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：张鹰20060301摘要随着集成电路制造工艺突飞猛进地发展(已经达到65nm)，越来越多的高开关速度、高管脚密度器件被应用于数字系统当中，而与此同时，系统的供电电压呈现明显的下降趋势(从5V到1．2V)。具体体现到高速PCB板级设计上，则为信号完整性(SignalIntegrity，简称S1)、电源完整性(PowerIntegrity，简称P1)和电磁兼容性(Electr

2、oMagneticCompatibility，简称EMC)问题的影响已经达到了不可忽略的地步，经常会出现逻辑功能正确的数字系统不能在物理结构上实现。因此，如何在系统设计以及板级设计中考虑SI／PI／EMI问题，并采用有效的控制措施和设计规则使达到“设计即正确”(“CorrectByDesign”)的理想状态，成为当今系统设计工程师和PCB设计业界中的一个热门课题。简单地说，高速设计问题无外乎数字信号变形、时序和辐射问题；从研究对象来讲，无非是对有源驱动／接收单元和无源互连单元进行建模与仿真。本文只

3、考虑了无源互连单元使信号变形的问题(即互连噪声)，包括延迟、反射、微带不连续、串扰、同步切换噪声等SI／PI问题。目前也有一些针对这些噪声的高速PCB板级仿真软件，但它们都缺乏详尽的建模能力，特别是当频率逐渐提高和电路板日益复杂后，更是显得无能为力，要精确地对互连结构进行分析，三维全波仿真器似乎4i可缺少，其缺点就是速度慢，对整板仿真几乎不可能实现，但非常适用于规则开发，而这币好是本文除了建模与仿真方法研究外另一个重点。为了达到精度和速度的平衡，本文找到了一种“场⋯‘路”结合的方法，既使得结果中蕴

4、涵了实际PCB板中物理结构信息，又很好地解决了仿真速度的问题。首先通过电磁场数值分析方法一有限元法(FEM)对互连结构进行仿真分析，而得到的散射／导纳／阻抗矩阵参数(S／Y／Z矩阵参数)，然后通过矢量拟合方法(VFM)把S／Y／Z矩阵参数转化为等效SPICE等效电路模型，并且提取出电路参数，完成了频域到时域的转换，最后使用电路仿真器进行时域仿真，从而开发出了一系列高速数字PCB板设计规则。本文对这种方法(命名为FEM．VFM)作了详尽的论述，并且运用到实际的互连噪声分析当中，得到了一些设计规则。希

5、望该方法会给信号完整性工程师提供一种新的思路，而开发出的这些规则会对国内历史还不到十年的高速数字PCB设计领域有一定的指导意义。关键词：互连设计信号完整性电源完整性有限元法矢量拟合ABSTRACTMoreandMorehigh·-switch·-rateandhigh-pin-·densitydeviceshavebeenappliedtothedigitalsystemalongwiththefastdevelopmentofmanufacturetechnicsofintegratecircu

6、it(upto65nm)，whilethesupplyvoltageofelectronicsystemshowsitselfafallentrend(from5vto1．2v)，signalintegrity(SI)，powerintegrity(P1)andelectromagneticcompatibility(EMC)problemshavebecomeincreasinglyserious．Sohowtosolvetheseproblemsonthedesignofsystemlevel

7、andPCBlevelandhowtomaketheelectronicsystemtobecorrectbydesignaremoreandmoreimportant．Simply，theproblemsofhigh—speeddesignincludethedistortionofhigh-speeddigitalsignal，schedulingandradiationproblem．Themodelingandsimulationofdriver，receiverandinterconne

8、ctisnecessary．Thisdissertationonlyconsidersthesignal’sdistortionbyinterconnect，suchasdelay，reflection，discontinuityofmicrostrip，crosstalkandsimultaneousswitchingnoise，andSOon．Nowadays，therearesomesimulationsoftwareinPCBlevel，buttheyarelackofth