高速PCB设计中的信号完整性分析研究

摘要

随着人们对电子产品更高性能的追求,半导体技术不断的发展,信号工作频率不断提高,信号的上升或下降时间也因此不断的缩短,造成了传输线上信号的反射、串扰等信号完整性问题。这些问题,严重影响了电路运行的稳定,给硬件工程师造成了极大的困扰。传统的“设计-制版-验证分析-修改”的设计方法已经逐渐不能满足越来越复杂的设计需求,而越来越快的产品更新周期以及成本控制要求,更是对我们的硬件设计师提出了较高的要求。我们在进行PCB(Printed Circuit Board,即印制板)设计时,不得不考虑信号如何才能在印制板的印制线上更好的传输而不发生畸变。因而,我们需要在设计之初就考虑信号的完整性问题对电路带来的影响,并采取适当的措施,消除这一影响。
　　本文主要针对上述问题,研究了信号完整性问题的常见现象,分析这些现象形成的原因,并给出解决问题的方法。分析了印制板的基本构成,总结归纳了如何才能更好的对印制线阻抗进行控制,并重点对过孔进行了探讨。介绍了IBIS模型的发展、结构等,介绍了仿真工具Cadence的基本情况。结合实际项目,探索仿真技术在PCB设计中的应用,完成了反射和串扰的仿真,并根据仿真结果完成了PCB的设计。最后对实物信号进行了测量。本文的主要内容为:
　　1.首先介绍了传输线理论的基本知识
　　2.引入信号完整性问题。着重对传输线上信号的反射和串扰进行研究,分析不同终端匹配对信号反射的抑制作用;分析攻击信号线对邻近信号线的影响,得出如何才能减小传输线之间信号的相互串扰。针对常见的轨道塌陷问题,讨论了其产生的原因,分析讨论了解决轨道塌陷的常用手段——去耦电容。探讨了PCB设计中的EMI问题。
　　3.介绍了印制板的基本构成,以及印制板电路的阻抗控制。专门对印制板的过孔进行了分析讨论。总结了PCB信号完整性设计应遵循的规则。
　　4.目前,IBIS(I/O BufferInformation Specification)模型越来越被各器件厂商所乐意接受,大多数厂商都提供了器件的IBIS模型。本文剖析了IBIS模型的结构,介绍了IBIS模型在EDA仿真中的应用。
　　5.针对当前几款流行的仿真软件工具,我选择了对cadence的仿真工具进行研究。对实际的项目进行反射和串扰的前仿真,给出了设计建议,并给出了PCB设计应遵循的规则。在PCB设计人员完成设计后,通过后仿真进行了验证。最后给出了实际测量结果。

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第一章 绪论

1.1信号完整性研究的发展以及意义

1.2本文主要工作

1.3本论文的结构安排

第二章 传输线理论

2.1均匀传输线

2.2无耗传输线

2.3理想传输线模型

2.4本章小结

第三章 信号完整性分析研究

3.1信号完整性概述

3.2反射

3.3串扰

3.4轨道塌陷

3.5 EMI

3.6本章小结

第四章 PCB及信号完整性设计

4.1印制板的类型

4.2 PCB印制线路的阻抗控制

4.3 PCB常用的传输线

4.4 PCB上过孔的寄生参数

4.5 PCB的信号完整性设计

4.6本章小结

第五章 仿真模型

5.1 IBIS的发展及特点

5.2 IBIS模型的语法结构

5.3 IBIS模型的构成

5.4 IBIS模型的建立

5.5 IBIS模型的使用

5.6本章小结

第六章 项目设计及仿真

6.1仿真软件介绍

6.2设计仿真

6.3测试结果

6.4本章小结

第七章 结 论

7.1本文的主要贡献

7.2下一步工作的展望

致谢

参考文献