高速電子線路

處理高速數(shù)字系統(tǒng)的振鈴和串?dāng)_問題一直是一個(gè)令人頭疼的問題，越來越多的VLSI芯片工作在100MHZ的頻率以上，450MHZ的CPU也將廣泛應(yīng)用，信號(hào)的邊沿越來越陡（已達(dá)到ps級(jí)），這些高速器件性能的增加也給高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了困難。高速系統(tǒng)的體積不斷減小使得印制板的密度迅速提高。比較現(xiàn)在新的PC主板與幾年前的主板，可以看到新的主板上加入了許多端接。信號(hào)完整性問題已經(jīng)成為新一代高速產(chǎn)品設(shè)計(jì)中越來越值得注意的問題，這已是毋庸置疑的了。

信號(hào)完整性（Signal Integrity，簡稱SI）是指在信號(hào)線上的信號(hào)質(zhì)量。差的信號(hào)完整性不是由某一單一 因素導(dǎo)致的，而是板級(jí)設(shè)計(jì)中多種因素共同引起的。主要的信號(hào)完整性問題包括反射、振鈴、地彈、串?dāng)_等。

源端與負(fù)載端阻抗不匹配會(huì)引起線上反射，負(fù)載將一部分電壓反射回源端。如果負(fù)載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負(fù)，反之，如果負(fù)載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過連接器的傳輸及電源平面的不連續(xù)等因素的變化均會(huì)導(dǎo)致此類反射。

信號(hào)的振鈴（ringing）和環(huán)繞振蕩（rounding）由線上過度的電感和電容引起，振鈴屬于欠阻尼狀態(tài)而環(huán)繞振蕩屬于過阻尼狀態(tài)。信號(hào)完整性問題通常發(fā)生在周期信號(hào)中，如時(shí)鐘等，振鈴和環(huán)繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的，振鈴可以通過適當(dāng)?shù)亩私佑枰詼p小，但是不可能完全消除。

在電路中有大的電流涌動(dòng)時(shí)會(huì)引起地彈，如大量芯片的輸出同時(shí)開啟時(shí)，將有一個(gè)較大的瞬態(tài)電流在芯片與板的電源平面流過，芯片封裝與電源平面的電感和電阻會(huì)引發(fā)電源噪聲，這樣會(huì)在真正的地平面（0V）上產(chǎn)生電壓的波動(dòng)和變化，這個(gè)噪聲會(huì)影響其它元器件的動(dòng)作。負(fù)載電容的增大、負(fù)載電阻的減小、地電感的增大、同時(shí)開關(guān)器件數(shù)目的增加均會(huì)導(dǎo)致地彈的增大。

振鈴和地彈都屬于信號(hào)完整性問題中單信號(hào)線的現(xiàn)象（伴有地平面回路），串?dāng)_則是由同一PCB板上的兩條信號(hào)線與地平面引起的，故也稱為三線系統(tǒng)。串?dāng)_是兩條信號(hào)線之間的耦合，信號(hào)線之間的互感和互容引起線上的噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流，而感性耦合引發(fā)耦合電壓。PCB板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性及線端接方式對(duì)串?dāng)_都有一定的影響。

在一個(gè)已有的PCB板上分析和發(fā)現(xiàn)信號(hào)完整性問題是一件非常困難的事情，即使找到了問題，在一個(gè)已成形的板上實(shí)施有效的解決辦法也會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間和費(fèi)用。那么，我們就期望能夠在物理設(shè)計(jì)完成之前查找、發(fā)現(xiàn)并在電路設(shè)計(jì)過程中消除或減小信號(hào)完整性問題，這就是EDA工具需要完成的任務(wù)。先進(jìn)的EDA信號(hào)完整性工具可以仿真實(shí)際物理設(shè)計(jì)中的各種參數(shù)，對(duì)電路中的信號(hào)完整性問題進(jìn)行深入細(xì)致的分析。

新一代的EDA信號(hào)完整性工具主要包括布線前/布線后SI分析工具和系統(tǒng)級(jí)SI工具等。使用布線前SI分析工具可以根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)完整性與時(shí)序的要求在布線前幫助設(shè)計(jì)者選擇元器件、調(diào)整元器件布局、規(guī)劃系統(tǒng)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)和確定關(guān)鍵線網(wǎng)的端接策略。SI分析與仿真工具不僅可以對(duì)一塊PCB板的信號(hào)流進(jìn)行分析，而且可以對(duì)同一系統(tǒng)內(nèi)其它組成部分如背板、連接器、電纜及其接口進(jìn)行分析，這就是系統(tǒng)級(jí)的SI分析工具。針對(duì)系統(tǒng)級(jí)評(píng)價(jià)的SI分析工具可以對(duì)多板、連接器、電纜等系統(tǒng)組成元件進(jìn)行分析，并可通過設(shè)計(jì)建議來幫助設(shè)計(jì)者消除潛在的SI問題，它們一般都包括IBIS模型接口、2維傳輸線與串?dāng)_仿真、電路仿真、SI分析結(jié)果的圖形顯示等功能。這類工具可以在設(shè)計(jì)包含的多種領(lǐng)域如電氣、EMC、熱性能及機(jī)械性能等方面綜合考慮這些因素對(duì)SI的影響及這些因素之間的相互影響，從而進(jìn)行真正的系統(tǒng)級(jí)分析與驗(yàn)證。Mentor Graphics公司的ICX設(shè)計(jì)工具可以在時(shí)序與電氣規(guī)則的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行TopDown式的布局及無網(wǎng)格布線，并提供多板分析功能，是典型的系統(tǒng)級(jí)SI工具。

如何在PCB板做板之前分析驗(yàn)證板級(jí)信號(hào)完整性（SI）問題，是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。這就需要用于SI分析的包含各種參數(shù)的準(zhǔn)確模型。大多數(shù)SI分析工具都可將PCB板作為板材料和布線幾何形狀的函數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，但是得到一個(gè)能夠反映板上元件、連接器、電纜等器件的好的模型卻相對(duì)較難，IBIS模型可以幫助設(shè)計(jì)者在存在SI約束的設(shè)計(jì)中獲取準(zhǔn)確的信息以進(jìn)行分析和計(jì)算。

IBIS（Input/Output Buffer Information Specification）模型是一種基于V/I曲線的對(duì)I/O BUFFER快速準(zhǔn) 確建模的方法，是反映芯片驅(qū)動(dòng)和接收電氣特性的一種國際標(biāo)準(zhǔn)，它提供一種標(biāo)準(zhǔn)的文件格式來記錄如驅(qū)動(dòng)源輸出阻抗、上升/下降時(shí)間及輸入負(fù)載等參數(shù)，非常適合做振鈴和串?dāng)_等高頻效應(yīng)的計(jì)算與仿真。IBIS規(guī)范最初由一個(gè)被稱為IBIS開放論壇的工業(yè)組織編寫，這個(gè)組織是由一些EDA廠商、計(jì)算機(jī)制造商、半導(dǎo)體廠商和大學(xué)組成的。IBIS的版本發(fā)布情況為：1993年4月第一次推出Version1.0版，同年6月經(jīng)修改后發(fā)布了Version1.1版，1994年6月在San Diego通過了Version2.0版，同年12月升級(jí)為Version2.1版，1995年12 月其Version2.1版成為ANSI/EIA-656標(biāo)準(zhǔn)，1997年6月發(fā)布了Version3.0版，同年9月被接納為IEC 62012-1 標(biāo)準(zhǔn)，1998年升級(jí)為Version3.1版，1999年1月推出了當(dāng)前最新的版本Version3.2版。

現(xiàn)在已有多家半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家及CAE/EDA公司支持此IBIS規(guī)范，提供不同器件的IBIS模型及軟件仿真工具，如Mentor Graphics公司既提供使用IBIS模型的仿真工具Interconnect Synthesis，同時(shí)提供Zeelan 的IBIS的仿真模型庫，另外還可根據(jù)用戶的特殊需求定制相應(yīng)器件的IBIS模型。

IBIS本身只是一種文件格式，它說明在一標(biāo)準(zhǔn)的IBIS文件中如何記錄一個(gè)芯片的驅(qū)動(dòng)器和接收器的不同參數(shù)，但并不說明這些被記錄的參數(shù)如何使用，這些參數(shù)需要由使用IBIS模型的仿真工具來讀取。欲使用IBIS進(jìn)行實(shí)際的仿真，需要先完成以下四件工作：

（1）獲取有關(guān)芯片驅(qū)動(dòng)器和接收器的原始信息源；

（2）獲取一種將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IBIS格式的方法；

（3）提供用于仿真的可被計(jì)算機(jī)識(shí)別的布局布線信息；

（4）提供一種能夠讀取IBIS和布局布線格式并能夠進(jìn)行分析計(jì)算的軟件工具。

IBIS是一種簡單直觀的文件格式，很適合用于類似于Spice（但不是Spice，因?yàn)镮BIS文件格式不能直接被Spice工具讀取）的電路仿真工具。它提供驅(qū)動(dòng)器和接收器的行為描述，但不泄漏電路內(nèi)部構(gòu)造的知識(shí)產(chǎn)權(quán)細(xì)節(jié)。換句話說，銷售商可以用IBIS模型來說明它們最新的門級(jí)設(shè)計(jì)工作，而不會(huì)給其競爭對(duì)手透露過多的產(chǎn)品信息。并且，因?yàn)镮BIS是一個(gè)簡單的模型，當(dāng)做簡單的帶負(fù)載仿真時(shí)，比相應(yīng)的全Spice三極管級(jí)模型仿真要節(jié)省10～15倍的計(jì)算量。

IBIS提供兩條完整的V－I曲線分別代表驅(qū)動(dòng)器為高電平和低電平狀態(tài)，以及在確定的轉(zhuǎn)換速度下狀態(tài)轉(zhuǎn)換的曲線。V－I曲線的作用在于為IBIS提供保護(hù)二極管、TTL圖騰柱驅(qū)動(dòng)源和射極跟隨輸出等非線性效應(yīng)的建模能力。

由上可知，IBIS模型的優(yōu)點(diǎn)可以概括為：

在I/O非線性方面能夠提供準(zhǔn)確的模型，同時(shí)考慮了封裝的寄生參數(shù)與ESD結(jié)構(gòu)；

提供比結(jié)構(gòu)化的方法更快的仿真速度；

可用于系統(tǒng)板級(jí)或多板信號(hào)完整性分析仿真?？捎肐BIS模型分析的信號(hào)完整性問題包括：串?dāng)_、反 射、振鈴、上沖、下沖、不匹配阻抗、傳輸線分析、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析。IBIS尤其能夠?qū)Ω咚僬疋徍痛當(dāng)_進(jìn)行準(zhǔn)確精細(xì)的仿真，它可用于檢測最壞情況的上升時(shí)間條件下的信號(hào)行為及一些用物理測試無法解決的情況；

模型可以免費(fèi)從半導(dǎo)體廠商處獲取，用戶無需對(duì)模型付額外開銷；

兼容工業(yè)界廣泛的仿真平臺(tái)。

當(dāng)然，IBIS不是完美的，它也存在以下缺點(diǎn)：

許多芯片廠商缺乏對(duì)IBIS模型的支持。而缺乏IBIS模型，IBIS工具就無法工作。雖然IBIS文件可以 手工創(chuàng)建或通過Spice模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換，但是如果無法從廠家得到最小上升時(shí)間參數(shù)，任何轉(zhuǎn)換工具都無能為力；

IBIS不能理想地處理上升時(shí)間受控的驅(qū)動(dòng)器類型的電路，特別是那些包含復(fù)雜反饋的電路；

IBIS缺乏對(duì)地彈噪聲的建模能力。IBIS模型2.1版包含了描述不同管腳組合的互感，從這里可以提取 一些非常有用的地彈信息。它不工作的原因在于建模方式，當(dāng)輸出由高電平向低電平跳變時(shí)，大的地彈電壓可以改變輸出驅(qū)動(dòng)器的行為。

伴隨著大量的信號(hào)完整性問題的出現(xiàn)，IBIS已成為一種應(yīng)用越來越廣泛的器件仿真模型。許多公司、組織和大學(xué)開發(fā)了多種IBIS實(shí)用工具，主要的IBIS實(shí)用工具有：

IBISCHK，是IBIS模型的語法分析器，用來檢查IBIS模型的語法錯(cuò)誤；

S2iplt，此工具可以以圖形方式顯示IBIS模型的V/I曲線，它是屬于UNIX版本的；

S2IBIS，此工具可以將現(xiàn)有的HSPICE、PSPICE或SPICE3模型轉(zhuǎn)換為IBIS模型；

Visual IBIS Editor，是Hyperlynx公司開發(fā)的基于Windows平臺(tái)的IBIS模型編輯、語法檢查及V/I 曲線顯示工具。2100433B

最適宜制作各種短波長和長波長激光器的GaAs和InP材料,同時(shí)又是制作微波晶體管等高速電子線路以及雪崩光電二極管(APD)等高速光電探測器的良好材料。OEIc繼承了GaAs和IoP集成電路的高速性和光電器件的功能性,因而具有更強(qiáng)的功能和突出的優(yōu)越性。由于在Ga人s襯底上已經(jīng)得到了性能優(yōu)良的結(jié)型探測器、激光器(LD)和場效品體管F(ET),并且制作工藝也較成熟。1978年Ya:vi實(shí)驗(yàn)室率先在GaAs襯底上實(shí)現(xiàn)了GaAIAs激光器和一個(gè)耿氏(Gu,In)器件的集成。此后許多實(shí)驗(yàn)室相繼做出了各種結(jié)構(gòu)的OEIC,文實(shí)現(xiàn)了LD/F（ET）的集成，得到了光電探測器與FET的集成和中繼器的單片集成。OEIC具有許多優(yōu)越性。它不僅由于集成了光電的多功能性，而且降低了寄生電容和寄生電感而極大地提高了速度,降低了噪聲。另外,多元件的單片集成減少了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所需要的元件數(shù)目,而且有更好的密集性和高度的可靠性,同時(shí)也減小了功耗。自1969年Millc:等191提出“集成光學(xué)”的概念以來,主要沿著兩個(gè)方向發(fā)展,一個(gè)方向是OEIC。另一個(gè)方向是集成光路(OIC)它是在一塊固體基片上,把光學(xué)元、器件集成一體,使之成為具有某種高級(jí)功能的光回路。l[前主要是在具有強(qiáng)光電效應(yīng)的LINbO3(泥酸銼),錯(cuò)體上集成。但期望的是在G。A、和nIP襯底上制做光學(xué)元、器件,從而制作具有更強(qiáng)功能的OEIC。

OEIC的發(fā)展將使超大容量光通信、超高速信息處理、高精度測距等一系列領(lǐng)域產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。目前,國際上已經(jīng)設(shè)計(jì)制作了多種結(jié)構(gòu)的OEIC發(fā)射器(包括LD或LED、驅(qū)動(dòng)電路和監(jiān)控電路)、中繼器(包括LD、晶體管放大器、光電探測器)和接收器(包括光電探測器和低噪聲前置放大器)。從目前情況來看,GaAs光電子集成發(fā)射器最有希望早日達(dá)到實(shí)用化程度。通過近幾年來對(duì)OEIC的探索與研究,關(guān)于它的可能應(yīng)用前景已越來越明朗了,所涉及的領(lǐng)域?qū)⑹欠浅V泛的,譬如超高速計(jì)算機(jī)內(nèi)各芯片及各功能片之間的連接、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、長途高速率光纖通信(對(duì)于GaAs系列可以用于光纖通信系統(tǒng)的局部網(wǎng))、光纖傳感和未來的光計(jì)算機(jī)等等。