原创 【转】电地完整性、信号完整性分析导论2

14.3 SI 分析
14.3.1. 设计流程中的SI 分析
    信号完整性并不是一个新的现象但是在数字领域早期并没有受到关注。但是随着信息技术的发展和Internet 时代的到来，人们需要通过各种高速数字通信/计算系统来进行联系。在这个巨大的市场中，信号完整性分析在保证这些电子产品系统可靠的运行中扮演一个越来越关键的角色。没有预先SI 指导，样机可能永远只能在测试台上，没有布线后SI 验证，产品可能到应用中就会出错。图14－5 表明SI 分析在高速设计过程中的所扮演的角色。从这个表中可以看出，我们将注意到SI 分析贯穿高速设计整个流程，并且紧密的和每一个设计步骤结合在一起。通常来讲把SI 分析归类成两个状态：布线前分析和布线后分析。
 
图14－5 设计流程中的SI 分析
    在布线前，SI 分析可以用来选择I/O 工艺，时钟分布，芯片封装类型，器件类型，板层堆栈，管脚分配，网络拓扑，端接策略等。考虑多种设计参数，对于不同情况的批处理SI 仿真将日积月累的行成一系列用来进行物理设计的最优指导。这一步的SI 分析也叫限制驱动SI 设计因为开发的这些设计指南将被用来做为器件布局和布线的指导。布线前的限制驱动SI 设计是为了确保物理版图的信号完整性，它将遵循噪声和时序要求。完全的，深入的布线前SI 分析将减少反复设计和布局/布线返工，从而减少设计周期。
    具有初始的物理版图以后，布线后SI 分析可以验证SI 设计指南和设计限制的正确性。它将检查当前设计中的SI 冲突，如果反射噪声，振铃，串扰和地弹。同时揭示在布线前被忽视的SI 问题，因为布线后分析是基于实现物理版图数据而不是预测的数据或者模型，总之它可以得到更精确的仿真结果。
    如果在整个设计过程中都完全遵循SI 分析，我们可以快速的实现一个可靠的高性能系统。
    在过去，版图工程师所制作的物理设计仅仅是用来进行机械制作的机械版图，几乎不涉及到任何信号完整性的设计。当电子系统持续趋于高速，负责开发硬件的系统工程师逐渐被卷入到信号完整性中如制定设计规则和布线限制。通常，他们这方面的知识来自以往产品设计师积累的经验，所以他们并不了解一些SI 问题的本质成因。对于这种挑战，今天，一个设计团队（如图14－6）需要具有这领域专业知识的SI 工程师的加盟。当在考虑使用新工艺时，如新的器件或者新的芯片封装或者板的生产工艺时，SI 工程师将从SI 方面来分析技术的电气特性，然后通过SI 建模和仿真软件进行仿真以制定布线指南。这些SI 工具应该足够精确以建模板级互连如过孔，走线，和平面堆栈。同时还必须具有足够的仿真速度在进行驱动/负载模型选择和端接策略时进行what if 分析。在最后，SI 工程师将制定出一系列的设计规则并传递给设计工程师和布线工程师。然后设计工程师（负责整体系统设计）需要确保设计规则被充分的执行。在板的初步布线和布局完成以后就可以对关键线网进行局部分析。也可以进行布线后验证。SI 分析过程会涉及到许多的相关网络，从而仿真速度必须要快，即使是它有可能达不到SI 工程师所希望的精度。一旦布线工程师得到SI 方面的布局和布线规则，他们就可以产生一个优化的基于这些限制的物理设计。并且他们将提供一个布线系统中有关SI 冲突方面的报告。对于这些冲突，布线工程师将和设计工程师以及系统工程师一起解决这些SI 问题。
 
图14－6 设计团队

14.3.2 SI 分析的原则
    一个数字系统可以从3个不同层次来进行检查：逻辑，电路理论，和电磁场。逻辑是这三个级别中抽象程度最高的，在这个层次SI问题是最容易被识别的。电磁场，是为具体的，是其它级别建立的基础[3]。大部分SI问题本质上来说是EM问题，比如说反射，串扰，和地弹。总之，从电磁场的角度来理解SI问题的物理行为是十分有益的。例如，在下图14－7所示的多层封装结构中，一个开关电流通过过孔a将产生EM波，然后在两个平面之间成辐射状远离开过孔方向传播。两个金属平面之间的场将平面之间的电压变化（电压是电场的积分）。当波传播到其它过孔时，将在这些过孔上产生感应电流。这些过孔上的感应电流最终将产生平面之间传播的电磁波。当波传播到边缘时，一部分反射回去，还有一部分将辐射到空气中。反射回来和前向波叠加形成了在一起形成谐振。在信号转变的时候，波传播，反射，耦合以谐振是典型的EM现象都将在封装结构内部出现。尽管EM全波分析方法在结构建模方面具有比电路分析要高得多的精度，但目前来说，普通的互连建模方法都市是基于电路理论的，而SI分析是采用电路仿真器进行的。主要原因是场分析通常需要更复杂的算法和更强大的计算机资源，而且电路分析方法将在低频时作为准静电场算法提供一种比较好的SI仿真方案。
 
图14－7 多层封装结构
    典型的电路仿真器，比如不同种类的SPICE，采用节点分析方法计算出集总电路元素如电阻，电容和电感的电压和电流。在SI 分析中，互连总是先用集总电路元素来建模。如，印制电路上的一根线可以简单的建模为具有有限电抗的电阻。有了集总电路模型，导线两端的电压被假设是瞬时改变的而且忽略信号传播的时间。然而，如果信号传播时间需要考虑的话，就必须用分布电路模型，如用RLC 网络来建模导线。决定是否有必要采用分布电路模型，可以用拇指规则－如果信号上升时间和信号的周期传播时间相比是否相当，如果是的话就必须考虑使用分布电路模型。
    例如，一个3cm 长的带状线在FR－4 材料基板印制电路板上将达到200ps 的传输延迟。对于一个33 兆的信号，假设上升时间是5ns，导线上的延迟可以被安全的忽略。但是对于一个500M 信号300ps 上升时间，导线上200ps 的传播延迟将变得很重要，必须用分布电路模型来建模导线。通过这个例子，很容易看出在高速电路设计中，面对不断减小的上升时间，进行SI 分析必须使用分布电路模型。
    还有另外一个例子。考虑在印制电路板上的15cmX15cm面积的实心电源地平面，从电路理论的观点来看,很自然的我们把它当成一个大而理想的集总电容。电容模型C＝erA/d，一种静电解决方案，假设在平面上电压相同而且在上面不论位置，电荷的保存是瞬时完成。在直流或者低频时，这种假设是真实的。然而，当逻辑开关达到300ps时，从电源/地平面吸取一个较大的瞬时电流，我们可以察觉到电源/地上的电流具有明显的延迟。仅仅在开关逻辑周围的小面积范围内一部分平面电荷能及时补充到需要的地方。电源和地平面之间的电压将随位置的不同而变化。在这种情况下，一个理想的集总电容模型显然不能用来计算这种电流的传输效应。二维分布的RLC电路网络将用来对电源/地进行建模。
    总之，随着当前高速设计趋势的继续前进，更快上升时间将进一步的显示出互连的分布本质。分布电路模型需要用来进行仿真延迟。然而，在更高频时，即使是分布电路建模技术也不是完美的，这时候基于Maxwell等式的全波电磁场分析法将粉墨登场。在后续讨论中，我们可以看到一根导线既不可以被建模为集总电阻，或者RLC梯形网络；将采用传输线理论来进行分析；一个电源/地平面层对将当作一个平行碟形模式波导，采用辐射传输线理论进行分析。
    传输线理论时当今SI分析领域中最有用的概念。也是许多EM介绍书中的基本主题。关于可选材料的更多信息，请参考16章的资源中心。
    在以上讨论中，我们将注意到信号上升时间在SI分析时是非常重要的。所以在下一节中将针对上升时间进行稍微的扩展讨论。