信号完整性分析_基于Hyperlynx的串扰仿真与分析_西安电子科技大学参考.doc

信号完整性分析 基于Hyperlynx的串扰仿真与分析 学号： 姓 名： 学院： 研究生院 时 间： 2014.12.25 在当今飞速发展的电子设计领域，高速化和小型化已经成为设计的必然趋势。与此同时信号频率的提高，电路板的尺寸变小，布线密度加大、板层数增多而导致的层间厚度减小等因素则会引起各种信号完整性问题。在所有的信号完整性问题中，串扰现象是非常普遍的。串扰可能出现在芯片内部，也可能出现在电路板、连接器、芯片封装以及线缆上。本文将剖析在高速PCB板设计中信号串扰的产生原因，运用HyperLynx仿真软件分析其抑制和改善的方法对串扰进行仿真分析，通过拉大线距、减小介质层厚度、增加端接等方法，分析相关因素对串扰的影响，从而达到减小串扰的目的。 第一部分 串扰理论 1引言 信号完整性是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传送到接收端，就称该信号是完整的。它包括反射、 串扰和时序等方面, 其中串扰是保证信号完整性设计时重点考虑的方面。 随着系统时钟频率的提高、电路板尺寸变小、布线密度加大以及信号跳变沿不断缩短，信号完整性问题日益突出。因为它直接影响到系统性能，所以信号完整性已经成为高速数字PCB设计必须关心的问题之一。信号串扰是高速设计所面临的信号完整性问题中的一个重要内容,串扰是造成电路功能错误的一个主要原因。如果能在验证时发现串扰引起的错误,可以通过重新布线或重新设计加以去除。然而,重复设计在许多情况下是被禁止的,因为这意味着成本的提高,研发周期的增加。仿真已成为高速信号设计的必要手段。根据仿真结果,获得最佳解决方案,以达到设计目标。 串扰是芯片上走线之间的寄生耦合，在数字设计中普遍存在，有可能出现在芯片、PCB板、连接器、芯片封装和连接器电缆等器件上。随着技术的发展，消费者对产品的要求越来越向小而快发展，如果串扰超过一定的限度就会引起电路的误触发，导致系统无法正常工作，所以必须更加注意数字电路系统中的串扰现象。因此，了解串扰的机理以及如何在设计中避免就显得非常重要。 2 串扰产生的机理 串扰是信号在传输线上传播时，由于电磁耦合而在相邻的传输线上产生不期望的电压或电流噪声干扰，信号线的边缘场效应是导致串扰产生的根本原因。这种干扰是由于信号线之间的耦合，即信号线之间互感和互容耦合引起的。感性耦合产生耦合电压，容性耦合则引发耦合电流。 如图1-1所示，假设位于A点的驱动器是干扰源，而位于D点的接受器为被干扰对象，那么驱动器A所在的传输线被称之为干扰源网络或侵害网络(Aggressor)，相应的接收器D所在的传输线网络被称之为静态网络或受害网络。静态网络靠近干扰源一端的串扰称为近端串扰(也称后向串扰)，而远离干扰源一端的串扰称为远端串扰(或称前向串扰)。 串扰按产生机理分为电感性和电容性，同时按串扰在被干扰线上产生的位置分为前向串扰与后向串扰。 图1-1 两条传输线的耦合 2.1 感（容）性串扰 当干扰线上有一个由低到高变化的信号从源端传向负载端时，干扰线上的分布电感(容)会产生一个时变磁(电)场，被干扰线将包括在这个磁(电)场里面。因此，变化的磁(电)场在被干扰线上产生感应电压(电流)。图1-2、图1-3中，Tr是信号的跳变时间，Tof是传输线延时。 图1-2 电容耦合串扰 图1-3 电感耦合串扰 这个感应电流(电压)分别向被干扰线的近端和远端2个方向传播，朝近端传播的串扰称为近端串扰(也称后向串扰)；另一个向远端传播的串扰称为远端串扰(也称前向串扰)。 2.2向前串扰 随着信号不断前移，被干扰线上前向串扰与信号以相同的速度向前移动，因此各串扰点感应的前向串扰噪声是不断叠加的。同时，串扰只产生于信号变化的时刻,前向脉冲的持续时间等于干扰信号的跳变时间。因此，前向串扰表现为一个尖端脉冲。2根线的串扰长度越长，脉冲的峰值越大。 当信号经过干扰线时,时变的电场在被干扰线上产生一个极性和原信号相同的容性串扰电压,而时变的磁场产生一个极性相反的感性串扰电压。因此,对于前向串扰,表现为容性串扰和感性串扰的互相抵消,当两者的串扰长度相同时，前向串扰完全消失。 实际中很少有容性和感性串扰完全抵消的情况，但在许多串扰环节里，前向串扰确实相当小，而后向串扰是考虑的重点。 2.3 向后串扰 后向串扰产生的机制和前向串扰相同，但它与前向串扰之间存在一些不同点。 由于后向串扰与干扰信号的方向相反，因此各串扰点的噪声是源源不断的回到近端的，表现为一个长脉冲。后向串扰从信号离开源端开始，经过Tof，信号到达负载端，此时该串扰点产生的后向串扰还要经过一个Tof才能回到近端。因此，后向串扰的脉冲宽度等于两倍的串扰线的延时。 后向串扰的容性和感性部分具有相同的极性，与干扰信号的极性相同,因此它们相互叠加而不