高速电路信号完整性分析与设计六

高速电路设计是一项非常复杂的过程,随着系统设计的复杂性和集成度的大规模提高,高速电路产生的传输线效应和信号完整性问题经常会使传统方法设计的数字电路无法工作。网络通信与电子技术的飞速发展使得高速电路设计技术已经成为电子系统设计工程师必备的手段。近些年国内外的大量的研究成果,构成了高速电路设计的一个新型学科

第6章 高速电路信号完整性分析与设计-高速信号的开关噪

声分析

近年来，随着数字系统工作的时钟频率大大提高，数字IC 规模的扩大，PCB 板元件和布线密度的急剧增加，同步开关噪声对系统的影响也越来越明显，减小和抑制同步开关噪声方法的研究也成为高速电路设计中一个非常重要的方面。本章将从同步开关噪声的产生机理，现象以及减小措施等方面来进行分析和介绍。

6.1 同步开关噪声的概念

同步开关噪声（Simultaneous Switch Noise，简称SSN）：指当多个器件同时处于开关状6.1.1 SSN噪声及其影响 态，产生瞬间变化的电流（di/dt），在经过回流途径上存在的电感时，形成交流压降，从而引起的噪声，有时也被称为同步开关输出噪声（Simultaneous switching output noise，简称SSO），或者称为ΔI 噪声。

如果是由于封装电感而引起地平面波动，造成芯

片地和系统地不一致，这种现象我们称为地弹(Ground

Bounce )；如果是由于封装电感引起的芯片和系统的电

源差异，就称为电源弹跳(Power Bounce )。当电流变

化过快，从而在封装的电源和地引脚上产生较大的电

压变化的时候，就会对快速的总线系统构成严重的信

号完整性及电源完整性问题。 图6.1 非理想地平面 开关噪声给信号传输带来的影响更为显著，由于地引线和地平面存在寄生电感(见图

6.1)，在开关电流的作用下，会造成一定的电压波动，也就是说器件的参考地已经不再保持零电平。在驱动端（见图6.2），本来要发送的低电平会因此出现相应的噪声波形，而对于开关信号波形来说，会因为地弹噪声的影响导致信号的下降沿变缓；在接收端（见图6.3），信号的波形同样会受到地弹噪声的干扰，不过这时的干扰波形和地弹噪声相位相反；另外，在一些存储性器件里，还有可能因为本身电源和地弹噪声的影响造成数据意外翻转（图6.4）。如果耦合在一个选通或者时钟输入信号的噪声电压超过了阈值电压的时候，就会导致误触发的现象。SSN 还会导致信号失真，从而产生门延迟。

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高速电路设计是一项非常复杂的过程,随着系统设计的复杂性和集成度的大规模提高,高速电路产生的传输线效应和信号完整性问题经常会使传统方法设计的数字电路无法工作。网络通信与电子技术的飞速发展使得高速电路设计技术已经成为电子系统设计工程师必备的手段。近些年国内外的大量的研究成果,构成了高速电路设计的一个新型学科

图6.2 地弹噪声对驱动端信号的影响

图6.3 地弹噪声对接收端信号的影响 图6.4 触发器数据翻转

电源波动的另外一个影响就是会使信号的边沿出现时序的推移，出现台阶的现象，如图

6.5所示。这种效应是非常普遍的，尤其是针对CMOS的输出驱动，因为当CMOS上拉的时候，它会以很快的速率从电源汲取电流，如果器件和电源之间的路径上电感比较大，就会限制瞬间电流的流动，这样PMOS的漏极上所得到的电压就会变小，继而导致输出电压也就会降低，在波形上升沿上就会出现一个台阶。当NMOS将信号线拉向低电平的时候，将向地平面注入电流，则也会出现类似的效应。在实验室中观察到的这些波形的形状（图6.5）同时也是电源去耦电容不足的迹象。不过需要强调的是，这个波形是指接收端而不是驱动端的。

图6.5 电源波动导致的信号时序推移和台阶现象

同步开关噪声就是电源不稳定的重要表现形式之一，对于一个理想的电源来说，其阻抗为零，在平面任何一点的电位都是保持恒定的（等于系统供给电压），然而实际的情况并不如此，而是存在很大的噪声干扰，甚至有可能影响系统的正常工作，见图6.6：

图6.6 理想电源和实际电源对比示意图

高性能电子与通信系统正向更高的时钟频率和更低的供电电压发展， SSN 将在这些复杂的系统中严重地影响信号完整性。SSN噪声的危害可以概括如下：

a. 影响同一集成电路内部其它电路的正常工作。如果SSN噪声电压足够大，将使门电路工作电源电压发生较大的偏移，从而使芯片工作异常，发生错误。

b. 影响其它集成电路的正常工作，一个芯片产生的SSN噪声将沿着电源分配系统传导，从而使其它芯片工作异常，发生错误。

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高速电路设计是一项非常复杂的过程,随着系统设计的复杂性和集成度的大规模提高,高速电路产生的传输线效应和信号完整性问题经常会使传统方法设计的数字电路无法工作。网络通信与电子技术的飞速发展使得高速电路设计技术已经成为电子系统设计工程师必备的手段。近些年国内外的大量的研究成果,构成了高速电路设计的一个新型学科

c. 使门电路的输出波形发生扭曲变形，从而延长电路的工作时间，严重时可以使整个电路的工作时序发生紊乱，导致工作错误。

SSN的强度取决于集成电路的I/O特性、PCB板电源层和地平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式，主要表现为地/电源的“跳跃”，即地弹现象。交流状态下，这里的“地”既可以是地平面，也可以是电源面。地弹噪声考虑的仅仅是由于封装引脚中的寄生电感而引起的地电位的“跳跃”，而SSN不仅有封装电感，而且还包括了电源和地平面的电感，这是地弹噪声和SSN概念中的根本区别。地弹现象则是SSN的共同表现形式，包括地电位反弹，电源的反弹。下面着重讨论地弹噪声机理及其危害。

6.1.2 地弹效应

数字电路工作时，稳定的有效电压只有高低电平两种电压。当内部的门电路发生“0”和“1”和变换时，对应着集成电路输出的高低电平之间的变换。在变换的过程中，门电路中三极管将发生导通和截止的状态转换，这样就会有电流从电源流入门电路，或从门电路流入地，从而使电源线或地线上的电流产生不平衡，这个电流（也称为△I噪声电流）就是地弹效应的源。由于电源线和地线有一定的阻抗，其电流的变化将通过阻抗引起尖蜂电压，并引发电源电压的波动。由于集成电路内多个门电路公用一条电源线和地线而引起的其它门电路受到电源电压变化的影响，使这些门电路工作异常被称为芯片级地弹。在一块印刷电路板上，因为多个芯片共用一条电源线和地线，或多层电路板则采用整个金属薄面作为电源线和地线，一个芯片工作引发的△I噪声电流导致其他芯片工作异常，被称为板级地弹效应。

地弹效应可以用图6.7所示的由4个门电路组成的数字电路来说明。在门1翻转前，它输出高电平，而且门和门之间的驱动线对地，电容Cs被充电，其值等于电源电压。当门1电路由高电平向低电平翻转时，将有△I1=Ip，由门电路注入地线，C的放电电流△I2=IL也将注入地线。假设两者的电流和为di，变化时间是dt，由于地线电感L的作用，在门1和门2的接地端产生尖峰电压，引起电源的波动。电源电压的波动可按式（6.1）计算：

V=L(di/dt) （6.1）

图6.7 当门电路输出由高电平1到低电平0时产生的△I噪声

如果门2输出低电平，该尖脉冲耦合到门4的输入端，造成门4状态的变化。最后di/dt

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