高速多板系统信号完整性建模与仿真技术研究

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电子设计领域的快速发展,使得由集成电路构成的电子系统正朝着大规模、小体积和高速度的方向发展,如何解决系统以及PCB板的信号完整性问题已经成为高速电子系统设计能否成功的关键。本文对板级信号完整性关键因素、传输线模型及其高频效应、反射与串扰、高速串行数据传输SERDES基本架构和高速信号仿真模型结构进行了深入的研究。在提出理论方法的基础上,对多种过孔和差分过孔进行建模和参数优化,并对仿真结果进行了频域和时域上的分析。为了达到精度和速度的平衡,本文在高速电路分析和仿真中将“场”“路”结合的方法贯彻至终。研究的模型不仅有时域电路模型,如I/O Buffer的SPICE和IBIS模型,还有频域的电磁场模型,如背板连接器的S参数模型,并通过仿真验证了模型的正确有效性。最后使用测试电路板建立多板仿真模型,并对关键网络进行实际的仿真分析,为高性能计算机等大型电子系统的PCB设计仿真进行了有益的探讨。本文的创新之处和研究成果主要包括:(1)针对过孔的Stub(短柱)效应,使用3D电磁场全波仿真工具对多种结构的过孔和差分过孔进行了建模,具体分析了过孔的反钻技术(Back-Drilling)、差分过孔、带保护地孔的过孔(差分过孔)的频响特性,以及对高频传输的影响。(2)实现了基于电磁场S参数的时域频域混合仿真技术,完成电磁仿真工具中使用频域模型(S参数模型)对多板进行时域仿真,得到时域仿真结果(如眼图等)。(3)SERDES高速串行信号驱动(Buffer)模型的分析研究,研究分析了串行电路驱动(Buffer)模型的原理及结构图,并实际应用某公司高速串口Buffer的SPICE电路模型作为输入/输出驱动器进行多板仿真。(4)针对集总参数模型误差大的缺点,用实验电路板搭建了多板仿真环境,提取并使用了差分过孔和GBX连接器的精确参数模型,实现了高精度的3.125Gbps高速SDRDES多板仿真。
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