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高速背板的电磁场建模和仿真

作　者: 王超
导　师: 王砚方
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 物理电子学
关键词: 中国科学技术大学电磁场高速互连差分对高速串行参考平面博士论文背板过孔高速电路设计
分类号: TM15
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

需求不断地推动着电子学系统的性能发展，随着半导体工艺的进步，片上时钟的速度和板级时钟的速度都在逐年提高，信号的带宽已经进入了传统的微波电路的频带范围。为了研究在如此高的带宽条件下系统的工作性能，采用电磁场的理论和工具作为信号完整性主要的分析手段已经不可避免。此时，除了反射和串扰这些在速度较低时就存在的问题外，趋肤效应和介质损耗等由于信号的时间尺度缩小到亚纳秒时起作用效应造成的影响，比如码间干扰等都是必须解决的问题。背板是由无源器件组成的板级互连，几乎没有一个电子系统离得开背板或背板型的结构，高速串行背板研究是近年来发展很快的领域，业界对背板性能也在不断提出新的要求，对背板的研究代表了当前高速电路设计的一个主流。电磁场数值计算方法应用于高频条件下的电路互连仿真和设计以及电磁兼容分析是近几年来发展很快的领域，针对背板分析的宽频带和复杂结构仿真要求，时域有限差分方法具有突出优越性。本文通过分析在数据率达Gbps以上时PCB上起主导作用的物理机制，利用时域有限差分方法提取高速电路的传输参数并通过数拟合建模，探讨高速串行背板传输特性的仿真方法。本论文的第一章首先讲述了板级高速互连的现状、趋势，同时介绍了在数据率达Gbps以上时起主导作用的物理机制，特性区域的划分以及信号完整性的要求。第一章还总结了近年来高速电路研究方法的发展，分析了常用的建模和仿真方法的适用范围；并指出：随着速率的不断提高，系统能达到的极限性能往往被“推到”互连材料的选择和互连结构优化上，而解决这些问题必须采用电磁场理论和分析方法，从而引入高速电路电磁场仿真的必要性。第二章介绍了电磁场时域有限差分方法以及它在高速电路仿真中的应用。主要介绍了时域有限差分方法和SPICE结合仿真的等效以及参数提取法的方法和特点。第三章是本文的重点之一，利用时域有限差分方法主要分析了高速背板设计中遇到的介质损耗、趋肤效应等对传输线特性的作用；提取了PCB上常见的不连续结构的S参数，分析了过孔、分割槽等在不同频带范围内对信号传输特性破坏的贡献和防治方法；利用2维FDTD-SPICE混合仿真方法分析了板级电源分配系统的特性；利用时域有限差分方法验证了差分对共模辐射的估计结果。第四章主要讨论的是模型的有理函数拟合方法，并以过孔、参考平面和有损耗传输线组成的电源分配系统为例，给出拟合模型和HSPICE仿真结果。第五章尝试探讨高速串行背板的建模和仿真方法。介绍了高速串行背板差分传输通道中各单元的建模方法，高速串行背板差分传输通道参数的意义，并着重分析了高速串行差分传输中串扰对抖动的影响，这是本文的另一个重点。第六章总结了论文的主要思路：分析主要物理机制，三维时域有限差分计算，参数提取，建模和模型简化以及仿真和测试结果验证。并指出今后的工作方向主要是通过测试验证仿真的结果。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
图表目录  11-14
第1章绪论  14-23
  1.1 引言  14-15
  1.2 课题背景  15-18
    1.2.1 高速互连的特性  15-17
      1.2.1.1 高速串行通信的发展趋势  15-16
      1.2.1.2 特性区域划分和高速互连的带宽  16-17
    1.2.2 信号完整性的要求  17-18
  1.3 高速电路的建模和分析方法  18-21
    1.3.1.1 直流和集总模型和分析方法  18-19
    1.3.1.2 分布参数模型和分析方法  19
    1.3.1.3 电磁参数模型和分析方法  19-21
  1.4 本论文的工作  21
  本章参考文献  21-23
第2章时域有限差分法及其在电路仿真中的应用  23-48
  2.1 引言  23
  2.2 有限差分法简介  23-25
  2.3 电磁场计算中的时域有限差分法  25-33
    2.3.1 麦克斯韦方程  25-26
    2.3.2 Yee氏网格和迭代方程  26-30
    2.3.3 数值稳定性  30-31
    2.3.4 边界条件  31-32
    2.3.5 激励源  32-33
  2.4 时域有限差分法的发展  33
    2.4.1 基于变隐式差分方向方法的时域有限差分法  33
    2.4.2 信号处理方法在时域有限差分计算中的应用  33
  2.5 时域有限差分法在电路仿真中的应用  33-42
    2.5.1 集总参数元件的FDTD迭代方法举例  34-37
      2.5.1.1 电阻  35-36
      2.5.1.2 阻性电压源  36
      2.5.1.3 电容  36
      2.5.1.4 电感  36
      2.5.1.5 二极管  36-37
    2.5.2 FDTD-SPICE混合仿真介绍  37-42
      2.5.2.1 电路仿真模型和方法简介  37
      2.5.2.2 FDTD-SPICE方法简介  37-38
      2.5.2.3 FDTD网格的戴维南等效和诺顿等效  38-42
  2.6 FDTD法提取高速互连参数  42-46
    2.6.1 参数提取法简介  42
    2.6.2 FDTD提取高速互连参数的特点和优势  42-43
    2.6.3 参数提取的基本方法  43-45
    2.6.4 参数提取的基本步骤  45-46
  本章参考文献  46-48
第3章高速互连的电磁场FDTD仿真  48-87
  3.1 引言  48
  3.2 信号完整性的FDTD仿真  48-62
    3.2.1 不连续结构的建模和仿真  48-56
      3.2.1.1 过孔的FDTD仿真  48-54
      3.2.1.2 不连续参考平面  54-56
    3.2.2 传输线损耗  56-60
      3.2.2.1 趋肤效应  56-57
      3.2.2.2 介质损耗  57-60
    3.2.3 串扰  60-62
  3.3 电源完整性的FDTD仿真  62-78
    3.3.1 电源分配系统  62-74
      3.3.1.1 电压源模块的建模  63-65
      3.3.1.2 去耦电容的特性和建模  65-67
      3.3.1.3 电源、地平面的建模  67-70
      3.3.1.4 电源分配系统的仿真  70-74
    3.3.2 同步开关噪声  74-78
  3.4 电磁辐射  78-85
    3.4.1 电磁辐射概述  78
    3.4.2 电磁辐射的模型  78-81
    3.4.3 远场近场变换  81
    3.4.4 差分对的共模辐射仿真  81-85
  本章参考文献  85-87
第4章高速互连的建模  87-105
  4.1 引言  87
  4.2 网络参数的有理函数拟合  87-91
    4.2.1 函数拟合原理介绍  87-89
    4.2.2 网络传输函数的向量拟合步骤  89-91
  4.3 网络参数的状态空间描述  91-92
  4.4 网络模型的特性和修正  92-95
    4.4.1 电路的实函数性  92-93
    4.4.2 因果性  93
    4.4.3 稳定性  93
    4.4.4 无源性  93-95
      4.4.4.1 正实性  94
      4.4.4.2 界实性  94
      4.4.4.3 转换关系  94-95
    4.4.5 网络无源特性修正  95
  4.5 网络的SPICE建模  95-97
    4.5.1 网络参数的受控源等效电路  95-97
  4.6 高速互连建模举例  97-103
    4.6.1 过孔建模  97-100
    4.6.2 电源分配系统建模  100-103
  本章参考文献  103-105
第5章高速背板的建模和仿真  105-128
  5.1 高速背板简介  105
  5.2 传输单元的建模  105-110
    5.2.1 高速串行背板的差分传输通道  105-106
    5.2.2 传输单元的建模  106-108
    5.2.3 单端S参数和差分S参数  108-110
  5.3 高速收发器组成和结构  110-112
    5.3.1 高速收发器简介  110
    5.3.2 预加重和后均衡  110-112
  5.4 背板通道仿真  112-117
    5.4.1 高速背板的频域参数  112-114
    5.4.2 通道仿真举例  114-117
  5.5 串扰对抖动的影响  117-126
    5.5.1 抖动的模型和分析方法  117-120
    5.5.2 串扰引入的抖动  120-122
    5.5.3 仿真结果  122-126
  本章参考文献  126-128
第6章总结与展望  128-129
  6.1 总结  128
  6.2 今后的工作  128-129
参考文献  129-134
攻读博士学位期间发表的文章和专利  134

高速背板的电磁场建模和仿真

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