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电路板SI分析原则

编辑:PCB    来源:未知    发布时间:2020-01-15 13:53    浏览量:
     一个数字系统可以从三个不同层次来进行检查:逻辑、电路理论和电磁场。逻辑是这三个级别中抽象程度最高的,在这个层次SI问题是最容易被识别的。电磁场是最具体的,是其他级别建立的基础。大部分SI问题本质上来说是EMI问题,比如说反射、串扰和地弹。总之,从电磁场的角度来理解SI问题的物理行为是十分有益的。 
     在多层封装结构中,一个开关电流通过过孔将产生EM波,然后在两个平面之间成辐射状向远离过孔方向传播。当波传播到其他过孔时,这些过孔上将产生感应电流,这些感应电流最终将产生平面之间传播的电磁波。当波传播到边缘时,一部分反射回去,还有一部分将辐射到空气中。反射回来的波和前向波叠加在一起形成谐振。如下图所示。

     尽管EM全波分析方法在结构建模方面具有比电路分析高得多的精度,但目前来说,普通的互连建模方法都是基于电路理论的,而SI分析是采用电路仿真器进行的。主要原因是场分析通常需要更复杂的算法和更强大的计算机资源,而且电路分析方法将在低频时作为准静电场算法提供一种比较好的SI仿真方案。 
     典型的电路仿真器,比如不同种类的SPICE,采用节点分析方法计算出集总电路元素如电阻、电容和电感的电压和电流。在SI分析中,互连总是先用集总电路元素来建模。如印制电路上的一根线可以简单地建模为具有有限电抗的电阻。有了集总电路模型,导线两端的电压被假设是瞬时改变的而且忽略信号传播的时间。若考虑信号传播时间,就必须用分布电路模型,如用RLC网络来建模导线。决定是否有必要采用分布电路模型,可以用拇指规则,即如果信号上升时间和信号的周期传播时间相比是否相当,如果是的话就必须考虑使用分布电路模型。 
     一个3cm长的带状线在FR-4材料基板印制电路板上将达到200ps的传输延迟。对于一个33MHz的信号,假设上升时间是5ns,导线上的延迟可以被忽略。但是对于一个500MHz信号300ps上升时间,导线上200ps的传播延迟将变得很重要,必须用分布电路模型来建模导线。通过这个例子,很容易看出在高速电路设计中,面对不断减小的上升时间,进行SI分析必须使用分布电路模型。
     考虑在印制电路板上的15cm×15cm面积的实心电源地平面,从电路理论的观点来看,很自然地把它当成一个大而理想的集总电容。假设在平面上电压相同,则在平面上任何位置,电荷的保存是瞬时完成在的。在直流或者低频时,这种假设是真实的。然而,当逻辑开关达到300ps时,从电源/地平面汲取一个较大的瞬时电流,电源/地上的电流具有明显的延迟。仅仅在开关逻辑周围的小面积范围内,一部分平面电荷能及时补充到需要的地方。电源和地平面之间的电压将随位置的不同而变化。在这种情况下,一个理想的集总电容模型显然不能用来计算这种电流的传输效应。二维分布的RLC电路网络将用来对电源/地进行建模。 
     总之,随着当前高速设计趋势的发展,更快上升时间将进一步地显示出互连的分布本质。分布电路模型需要用来进行仿真延迟。


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