MCM高速电路布线设计的信号完整性
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/9C0M4SgF_XTNNGvTLJhjww随着封装密度的增加和工作频率的提高，MCM电路设计中的信号完整性问题已不容忽视。本文以检测器电路为例，首先利用APD软件实现电路的布局布线设计，然后结合信号完整性分析，对电路布局布线结构进行反复调整，最后的Spectra Quest软件仿真结果表明，改进后的电路布局布线满足信号完整性要求，同时保持较高的仿真精度。
随着集成电路工艺技术的发展，多芯片组件工作速度越来越高，高速信号的处理已成为MCM电路设计能否成功的关键。当时钟信号的上升沿或下降沿很小时，就会导致传输线效应，即出现信号完整性问题。
本设计按照图1所示的MCM布局布线设计流程，以检测器电路为例，详细阐述了利用信号完整性分析工具进行MCM布局布线设计的方法。首先对封装零件库加以扩充，以满足具体电路布局布线设计的需要；然后利用APD（Advanced Package Designer）软件直接调用零件封装符号，完成电路初步的布局布线设计；最后结合反射、延时和电磁兼容等信号完整性仿真分析结果进行反复调整，改进后的电路布局布线减小了信号的反射，输入信号的相对延时不超过0.2ns，电磁干扰现象也得到了抑制，满足信号完整性要求。
MCM布局布线的软件实现
如上所述，MCM布局布线的实现包括电路原理图生成、扩充零件库及最终的布局布线完成和加工数据文件输出。APD Layout包括padstack（*.pad）、Package Symbol（*.psm）、Mechanical Symbol（*.bsm）、Format Symbol （*.osm）和Shape Symbol（*.ssm）五种，MCM布局布线设计中，所有的布局都必须有正确的Library Packing。MCM设计软件自带封装库往往不能满足具体设计要求，只有扩充零件库后，才能直接调用零件进行布局布线设计及最终的工艺文件输出。首先利用Padstack Editor软件扩充零件库，然后对电路进行封装，并通过concept HDL给APD软件导出电连接网表文件，最后完成电路布局布线。以检测器电路为例，其原理图主要部分如图2所示，图3为CCT（Spectra）布线后的形式。整个设计中，定义了16个Padstack和81个封装符号，进行251次调用Padstack和89次调用功能单元，其中共用到了251个元件封装符号引脚和229个功能单元引脚。
需要注意的是，具体设计时，若利用orcad进行电路前期设计，则必须将Orcad生成的文件转换为APD软件的mcm文件。但由于转换后的mcm文件存在类似brd的问题，因此，采用Concept HDL软件来导出网表文件，然后提取网线拓扑结构进行仿真。为减少仿真时间，采用分模块仿真方法。
仿真分析
IBIS模型
Spectra Quest和其他电路分析软件一样，要得到精确的仿真结果，必须首先给电路元件提供精确的电气模型。Spectra Quest软件使用的是IBIS模型。IBIS（输入/输出缓冲信息规范）模型采用I/V和V/T表的形式来描述I/O单元和引脚的特性，是一种基于V/I曲线的对I/O BUFFER快速准确建模的方法。它提供一种标准的文件格式来记录如驱动器或接收器输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数，这些参数由Spectra Quest来读取。IBIS模型具有信号完整性分析所需要的信息，非常适合做振荡和串扰等高频效应的计算与仿真。
Spectra Quest内部的Sigxplorer接受IBIS模型，然后将其转换为独特的设计模型化语言DML，以完成复杂I/O结构的建模。而且，Sigxplorer中的Constraint Manager能够对仿真中使用的参数进行管理，并将其嵌入到后续布局布线约束条件中。
反射分析
反射即传输线上的回波，是由于阻抗的不连续而引起的。源端与负载端阻抗不匹配会引起线上的反射，负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负；反之，反射电压为正。理想的情况是输出阻抗、传输线阻抗及负载阻抗均相等，此时，传输线的阻抗是连续的，不会发生任何反射。反射电压信号的幅值由源端反射系数rS和负载反射系数rL决定，分别如下式所示：
式中，RS为源阻抗，Z0为传输线阻抗，RL为负载阻抗。若RL=Z0，则负载反射系数rL=0；若RS=Z0，则源端反射系数rS=0。
解决传输线反射的关键是阻抗控制，阻抗匹配可以抑制传输线反射，主要有：并联端接、Thevenin等效并联端接、AC端接和串联端接法四种匹配端接方法。这里采用Thevenin等效并联端接法，对检测器电路输入部分阻抗进行控制，然后提取电路拓扑结构，分别仿真匹配端接前、后电路的传输特性。
用频率为50MHz，占空比为0.5的Pulse信号作触发，图4和图5分别为利用Signoise工具仿真得到的匹配端接前、后的仿真波形。从图中可以看出，端接前，波形在上升沿有畸变发生，容易引起误操作。匹配端接有效地消除了信号的畸变，单调性很好，而且在上升沿拉升了原信号，提前进入电平切换，增加了信号的稳态时间，信号的上升沿也比较平稳。虽然在高电平的维持阶段有上过冲，但对信号确认没有影响，信号质量比较理想。另外，信号传输线长度对反射也有一定的影响。仿真发现，传输线较长时，出现了预示的反射现象，如图6所示；而传输线较短时，仿真波形和分析结果吻合得很好，如图7所示。表1为上述两种情况下的波形仿真参数。所以，布线长度不同，其处理方法也应不同。一般来说，走线长度小于2英寸，以集总参数的LC电路来处理；大于8英寸，则以分布参数的传输线电路来对待。
延时分析
随着系统工作频率的升高，当信号上升沿或下降沿很陡时，布线延时不能再被忽略。它对信号的建立和保持起着至关重要的作用，甚至可能影响系统的时序，产生误操作，所以必须予以考虑。MCM高速电路设计要求存储芯片的相位偏差不能过大，因此驱动端到接收端的布线延时应大致相等。延时和信号线长度的关系如下式所示：（3）式中，莆延迟，e为介电常数，r为电阻率，w为线宽，l0为芯片之间的平均距离。由式（3）可以看出，信号线长度对传输质量影响很大，可能使信号在传输过程中产生畸变。信号传输质量随着线长的增加而变差，对于过长的信号线，应采用源端或终端匹配的方法来改善传输质量。利用信号完整性仿真工具，可以方便地模拟从驱动端到各芯片的延时，然后结合仿真结果对布局布线进行调整，以达到预定的要求。
检测器的每个信号应尽可能保持同一传输延迟，这就要求布线时尽量保持长度一致，对于微弱的差别，可以根据仿真结果延长或缩短布线。完成布线以后，再利用Spectra Quest软件仿真输入信号的传输延迟，具体参数如表2所示。可以看出，其相对延时不超过0.2ns，仿真结果比较理想。
EMI分析
以上在时域中分析了信号的反射和延时，除此之外，EMI（电磁干扰）也是高速电路设计的一个重要方面。
电磁干扰包括过量的电磁辐射和对电磁辐射的敏感性两方面，工作频率太高、信号变化太快或布局布线不合理等都会引起电磁干扰效应。分别对改变布线策略，增加终端匹配前、后的检测器电路进行EMI仿真。图8为布局布线调整前的仿真波形，垂直条长度指信号在该频率的电磁辐射强度，横线指系统可承受的最大辐射强度。从图中可以看到，信号所产生的噪声从0延续到2GHz，范围很宽，而且每个频率的辐射强度不尽相同，某些频率的辐射强度超出了限制，即信号在该频率的电磁干扰已经超出系统所能承受的程度，应该采取措施降低其辐射水平。按照前述的方法进行阻抗控制，并尽量减小布线长度，重新仿真的结果如图9所示。可以看到，超过限制的频率波已降到横线以下，并且各频率点的辐射强度均有所下降，整个辐射强度都有所降低。这说明，对于传输信号，改变布线长度和增加适当的匹配端接网络，不仅改善了信号的传输特性，也降低了电磁辐射强度，提高了信号的质量。
结语
高速电路设计时，首先利用精确的器件模型对系统功能进行信号完整性和EMI仿真分析，以此来确定电路的布局布线，然后再进行仿真，对布线网络加以改进，直至得到满意的布线结果。本设计主要对MCM布局布线设计技术，结合检测器封装实例，分别在时域和频域对MCM布局布线时的反射、延时和EMI等问题进行了仿真和分析，取得了较好的效果。
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