分析仪器中单板信号质量解决方案的研究

摘要

分析仪器是仪器仪表中重要的组成部分，实现对物质成分的鉴别和测定，主要分为光谱、色谱、质谱等三大类产品。随着现代微电子学、微加工技术、信息技术、新型材料和计算机科学等高新技术的发展，分析仪器向着模块化、微型化、智能化的方向发展，迫使芯片的体积越来越小，印刷电路板(Printed Circuit Board，简称PCB)的密度越来越高，系统的工作频率越来越快，使得分析仪器也面临着所有高速数字设计必然要面对的问题：信号完整性(Signal Integrity，简称SI)问题。
　　 信号完整性是指单板中传输线上的信号质量，典型的信号完整性问题包括反射、串扰、振铃、同步开关噪声等。一个高速互连系统中，芯片封装、信号互连线、过孔、焊盘等引起的传输线效应和介质材料对信号质量的影响已经成为高速数字电路设计不能忽略的因素。本课题从信号完整性仿真分析和PCB设计两个方面入手，研究如何解决分析仪器单板中的信号质量问题，并结合分析仪器中一块典型的高速信号采集板进行实例仿真和PCB设计说明，阐明了高速数字电路设计对分析仪器单板设计的重要性。
　　 本文的主要内容包括：首先，深入分析传输线理论和典型的信号完整性问题，结合实际设计经验总结出一些常用的PCB设计规则。其次，以分析仪器中一块典型的高速信号采集板为例，应用SI仿真软件SpecctraQuest和PI仿真软件Ansoft Siwave进行布局布线前仿真与PCB设计：仿真固定结构的电源平面和地平面的谐振模式确定关键IC芯片的放置位置；仿真关键信号线的反射和串扰问题，提出解决该问题的方法；分析系统时序，确定数据信号的时序约束条件；总结符合分析仪器本身信号特点的PCB设计规则。最后，对布局布线完成后的高速信号采集板进行后仿真验证和设计优化，确保由于反射、串扰引起的信号噪声和电源平面不连续引起的电源噪声满足系统的设计要求。
　　 本文提出的基于信号完整性仿真的分析仪器单板信号质量解决方案，可以在设计阶段解决所有可能遇见的信号完整性问题，保证PCB板上的信号质量满足系统设计的要求，大大缩短了设计周期，降低了投资成本，提高了市场竞争力。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 课题研究的现状

1.3 本文的主要内容和结构

第2章 信号完整性理论基础

2.1 传输线理论

2.1.1 传输线的特性阻抗和传输延迟

2.1.2 传输线的趋肤效应

2.2 反射理论

2.2.1 信号反射的概念

2.2.2 终端端接

2.3 串扰理论

2.3.1 串扰形成的原理

2.3.2 前向串扰和后向串扰

2.3.3 减少串扰的方法

2.4 电源完整性

2.4.1 同步开关噪声

2.4.2 旁路电容的特性与应用

2.5 小结

第3章 仿真工具及仿真模型的介绍

3.1 Cadence工具介绍

3.1.1 基于Cadence的仿真流程

3.1.2 Cadence Allegro PCB SI仿真工具介绍

3.2 Ansoft Siwave工具介绍

3.3 IBIS仿真模型介绍

3.2.1 IBIS 模型的概述

3.2.2 IBIS模型的基本结构

3.2.3 IBIS模型的快速验证

3.4 小结

第4章 分析仪器高速信号采集板的信号完整性仿真分析与PCB设计

4.1 高速信号采集板系统简介

4.2 叠层设计与阻抗控制

4.2.1 叠层设计

4.2.2 阻抗控制

4.2.3 分析仪器中叠层的PCB设计规则

4.3 PCB布局布线前仿真

4.3.1关键IC芯片的位置

4.3.2 反射问题和端接策略的前仿真分析

4.3.3 串扰问题的前仿真分析

4.3.4 分析仪器中防反射和串扰的PCB设计规则

4.4 系统时序的仿真分析

4.4.1 普通时序系统

4.4.2 源同步时序系统

4.4.3 高速信号采集板中的时序分析

4.4.4 分析仪器中系统时序的PCB设计规则

4.5 小结

第5章 分析仪器高速信号采集板的信号完整性仿真验证

5.1 反射问题和时序的后仿真分析

5.2 串扰问题后仿真分析

5.3 电源完整性仿真分析

5.4 小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.1 展望

致谢

参考文献

附录：