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全面解析:PCB印制线的传输线效应以及封装、连接器和电缆的频率响应

2020-02-06 10:35 来源:互联网 编辑:咩咩

通过一个 3200Mbps LPDDR4 接口将一个应用处理器连接至 DRAM 芯片,其难度不亚于 2600MHz 4G LTE 天线的布线工作。虽然 RF 前端采用了陶瓷封装,并在各个抗电磁干扰模块中进行了精心布线,但数字信号会穿过球栅阵列封装和高密度小型印刷电路板(PCB),从而使它们更容易受到高频影响。

随着数据速率增至甚至超出千兆范围,PCB 印制线不能再被视为简单的导体。铜印制线的寄生电阻、电容和电感使其成为一条传输线,从而产生数字设计中通常不去考虑的各类高频效应。例如,由于集肤效应,信号的高频成分要比低频成分经历更大的衰减,从而导致信号失真。平行铜印制线之间的电感和电容会导致串扰,而大开关电流会导致接地反弹。误码率(BER)将会上升,因为更多比特将被解析为“0”或“1”。

因此,为了确保信号完整性,需要对 PCB 印制线的传输线效应以及封装、连接器和电缆的频率响应进行全面分析。通过减少 PCB 原型设计与测量的大量迭代次数,精准的 PCB 级 SPICE 分析可节省时间和金钱。

图 1 显示了一个内存接口,它是多千兆芯片间通信的一个典型例子。相同的概念也适用于 USB 3.0、HDMI、多千兆 Ethernet 设备等高速串行 I/O。通信通道由芯片的 I/O 模型、封装、连接器及电缆的散射参数(S 参数)模型以及印制线的损耗耦合传输线模型构成。I/O 模型由芯片厂商提供。简单的 I/O 缓存器可以用 IBIS 模型精确表示。配备有源预加重和均衡功能的更加复杂的 I/O 电路通常采用经过加密的晶体管级 HSPICE 网表的形式,或者采用源于晶体管级表示的 IBIS-AMI 模型。作为晶体管级仿真的黄金参考模型,HSPICE 使用经过晶圆厂认证的晶体管模型提供最为精确的 I/O 电路行为。不仅如此,大多数芯片厂商使用 HSPICE 来验证他们的 IBIS 和 IBIS-AMI 模型。因此,在电路板一级使用 HSPICE 最符合芯片厂商的意图。对于 IBIS-AMI 模型而言,HSPICE 具备独特优势,除了逐比特和统计眼图模式之外,它还能在真正的瞬态模式下模拟这些模型。

全面解析:PCB印制线的传输线效应以及封装、连接器和电缆的频率响应

图 1:用于信号完整性分析的典型系统配置。

PCB 印制线的损耗耦合传输线可以采用多种方法提取,其中最简单的方法就是使用 HSPICE W 元件。W 元件读入 PCB 的属性和平行印制线的尺寸,然后使用一个内置的 2D 解算器提取传输线响应。该模型能够精确表示与频率有关的损耗和耦合,而且不限制耦合线路的数量,可确保系统的被动性和因果关系。大多数 PCB 布局工具能够提取印制线几何图形,并在 HSPICE 网表中自动生成 W 元件模型。第三方准静态 2.5D 场解算器也可用于生成 PCB 印制线的宽带模型。取决于所使用的场解算器,这些模型能够以 RLGC 表的形式被插入到 W 元件中。对于关键布局,全波长解算器可用于提取 PCB 印制线的频率响应,即 S 参数,后者也可用作 W 元件的输入。

封装、连接器及电缆的 S 参数模型由组件厂商提供,或由一个网络分析仪测量,或由一个 3D 电磁场解算器提取。无论哪种情况,S 参数模型都能提供一个可靠的组件线性表示,将其分布式本质以及任何与频率相关的行为考虑在内。通过观察史密斯图上的 S 参数,可以深入了解这些分布式系统,超过使用电路图中的集总元件所能获取的信息。但是,这里存在一个挑战。S 参数是频率域模型,原本是为 RF 和微波设备而发明的,而数字多千兆系统的信号完整性分析主要是在时间域中进行的。HSPICE S 元件采用最先进的自动有理函数模型生成技术克服了这个挑战。此外,HSPICE 通过部署多时延增强型有理函数模型,捕获长达数米的数据线(如 HDMI 线)的复杂高频行为。HSPICE 利用现代处理器中的并行计算技术精确高速地模拟大型(500 端口以上)S 参数模型。除了在电路仿真中使用 S 参数以外,HSPICE 还支持多端口线性网络分析(.LIN),它可以从任意电路类型提取 S 参数。

全面解析:PCB印制线的传输线效应以及封装、连接器和电缆的频率响应

图 2:与 S 参数打交道不仅仅是进行瞬态分析。

S 参数模型的灵活性和可靠性有时会因某些 S 参数质量欠缺而下降。低质量的 S 参数模型有可能产生较差的仿真结果。质量问题包括但不限于:违反被动性、粗糙的频率抽样和较窄的频率带宽。例如,某个 S 参数模型的起始频率有可能很高,以至于无法捕获低频瞬态行为;或者其结束频率有可能很低,以至于无法捕获数字转换的高频成分。HSPICE 包含一个独立的 S 参数实用程序,它能够采用不同的方法操作 S 参数,以确保 S 参数模型的质量。图 2 显示了 HSPICE 如何整合采用多端口线性网络分析(.LIN)的 S 参数提取、采用瞬态分析(.TRAN)的 S 参数仿真以及采用 S 参数实用程序(SPUTIL)的 S 参数质量保证。

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图 3:使用 HSPICE S 参数实用程序(SPUTIL)检查阻抗匹配。

SPUTIL 提供众多便捷的 S 参数操作技术,例如,合并多个数据文件、被动性检查或执行、利用灵活的频点规范重新采样、文件格式转换等。例如,阻抗匹配是高速通道设计的一个重要要求。测试阻抗匹配的最快方法就是使用不同的参考阻抗观察 S11。如图 3 所示,SPUTIL 提供一种便捷的方法,使用一个简单脚本转换某个 S 参数集的参考阻抗。然后,通过观察史密斯图上的 S11 图找出最小的 S11 值,从而为设计通道终端阻抗提供一个良好的起点。

对于信号完整性分析中所使用的各种组件和模型的讨论到此结束,现在开始讨论各种分析技术。眼图分析技术被广泛用于评估高速通信通道。眼图将一个长数字比特序列的单位时间间隔叠加为一个紧凑形式,便于人们对系统进行皮秒级观察。生成被测目标系统的一个眼图、检查眼图开口和测量作为累计概率的 BER 是通道合规测试的关键组成部分。

HSPICE 提供不同的技术,用于分析不同仿真速度和精度的眼图。评估多千兆系统的 BER 要求分析数百万个单位时间间隔。对这些长比特流进行瞬态分析需要耗费几个小时的时间,并产生很大的数据文件。可能需要数千次仿真才能覆盖通道优化设计。在 HSPICE 中生成逐比特和统计眼图将仿真时间从几个小时缩短至几秒钟,从而大幅提高通道设计效率。

HSPICE 采用精确的瞬态分析计算出众多小比特模式的脉冲响应,然后使用统计方法迅速生成眼图,即概率密度函数(PDF)图,将所有可能的比特模式考虑在内,如图 4 所示。HSPICE 通过观察眼图的垂直和水平横截面,自动提取抖动曲线。此外,HSPICE 还根据 PDF 眼图自动生成误码率(BER)图。然后,可以通过提取 BER 的截面图观察浴缸曲线。HSPICE 还捕获特定时刻的最短比特模式,它再现了最里面—换句话说“最坏的”—眼图碎片。在接下来的短瞬态分析中使用这个最坏的比特模式,就可以分析出眼图闭合的原因,然后改进设计。HSPICE 能够提取具体比特位置的时间域波形,该技术可用于验证自适应均衡器设计。

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图 4:HSPICE 统计眼图分析。

逐比特眼图分析采用一种快速瞬态技术为特定的比特模式生成眼图,而且所需时间仅为瞬态分析的几分之一,对于通道设计非常有用。瞬态分析可为签核提供最精确的眼图。在时间域瞬态分析中 HSPICE 支持所有类型的 I/O 模型,其中包括算法模型(IBIS-AMI)以及与频率有关的元件。并行计算技术被用于加快超长比特序列的仿真速度,同时又不牺牲精确度。

HSPICE 具备一种独特能力,能够混用和匹配各类分析技术和模型,以便最好地匹配每一个通道设计和合规测试阶段。如图 5 所示,HSPICE 将通道视为一个黑盒子,让用户能够放入任意组合的有源和无源设备。HSPICE 还支持各种不同的发射器和接收器表示。例如,发射器可以是一个晶体管级 I/O 电路,而接收器可以是一个 IBIS-AMI 模型,反之亦然。在早期设计阶段,可以采用快速统计眼图分析评估与模式无关的发射器加重。对于此类分析,IBIS-AMI 模型在发射器侧使用,只是为了使接收器成为一个理想化的接收器终端。随着设计的不断演进,可以采用逐比特仿真将理想化的接收器替换为一个算法模型,以便测试自适应均衡器如何通过调整其参数实现最大的眼图开口。然后,从逐比特分析切换至全面的瞬态分析,可以捕获通道中可能出现的任何非线性效应。在最后的验证阶段,很有可能使用到发射器和接收器缓存的全晶体管表示。HSPICE 能够在同一个测试台上运行所有这些分析。

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图 5:在统计、逐比特和瞬态眼图分析中结合使用 AMI 和晶体管级模型。

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