高速電路饋電接地系統(tǒng)中同步開關(guān)噪聲的本征模分析.pdf

1、在現(xiàn)代高速電路系統(tǒng)中，隨著芯片特征尺寸的減小、集成度和規(guī)模的增加、工作頻率的提高和工作電壓的減小，信號(hào)完整性問題日漸突出，它已經(jīng)成為影響整個(gè)系統(tǒng)性能的主要因素。信號(hào)完整性問題通常指信號(hào)線的互連效應(yīng)和電源完整性問題。對(duì)于互連效應(yīng)，過去研究得較多，理論上相對(duì)成熟，也取得了很多經(jīng)驗(yàn)法則，而對(duì)于主要表現(xiàn)為同步開關(guān)噪聲問題的電源完整性的研究卻較少。為此，本論文的研究工作主要圍繞高速PCB或MCM饋電接地系統(tǒng)中的同步開關(guān)噪聲問題而展開。從電磁建模和

2、快速電路分析等方面入手，或提出新的方法，或在原有方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，或?qū)⑵渌I(lǐng)域的計(jì)算方法應(yīng)用進(jìn)來，提高分析效率，使之有利于實(shí)際問題的求解。目的是為了分析多個(gè)高速CMOS同時(shí)開啟時(shí)產(chǎn)生的開啟電流流過電源／地網(wǎng)絡(luò)所導(dǎo)致的同步開關(guān)噪聲，指導(dǎo)高速電路饋電接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。全文主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 第二章提出了反向組合法，并將其應(yīng)用到本征模展開法中，使得傳統(tǒng)的本征模展開法可以應(yīng)用到帶孔的電源／接地平面對(duì)的阻抗特性分析之中。要設(shè)計(jì)

3、一個(gè)低阻抗的饋電接地系統(tǒng)，其關(guān)鍵的一步就是分析電源／接地平面對(duì)上的阻抗特性。本征模展開法是分析電源／接地板結(jié)構(gòu)高頻特性的有效方法，本論文的研究就是基于這一方法展開的。但是傳統(tǒng)的本征模展開法只適用于無孔的規(guī)則形狀的電源／接地平面對(duì)的阻抗特性分析。為了拓寬這一經(jīng)典方法的適用范圍，本論文提出了針對(duì)帶孔平面對(duì)的反向組合法。結(jié)合了這一方法以后，帶孔平面對(duì)的阻抗特性也可以用本征模展開法來求解了。為了提高計(jì)算效率，本章還引入了Guang-TsaiLe

4、i的簡(jiǎn)單模型降階法。實(shí)例證明了反向組合法的有效性，當(dāng)輔助端口的數(shù)量和本征模展開法中的模式數(shù)取到一定數(shù)量時(shí)，計(jì)算結(jié)果與數(shù)值計(jì)算方法相當(dāng)接近。 第三章引入了分割法，將本征模展開法的適用對(duì)象進(jìn)一步拓展到不規(guī)則形狀的平面對(duì)，并且還提出了一種新的加速收斂算法來提高本征模展開法中雙無窮級(jí)數(shù)的收斂速度。將分割法和上一章提出的反向組合法同時(shí)應(yīng)用進(jìn)來以后，本征模展開法就可以用于分析不規(guī)則形狀的帶孔平面對(duì)的阻抗特性了，其中孔的形狀和整個(gè)電源／接地面

5、的形狀均可不規(guī)則。這就大大拓寬了本征模展開法的應(yīng)用范圍。 同時(shí)，由于本征模展開法Z參數(shù)解析式中存在著收斂速度很慢的雙無窮級(jí)數(shù)，要獲得比較精確的結(jié)果，需要取相當(dāng)多的項(xiàng)數(shù)進(jìn)行求和，這會(huì)花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源。為了提高計(jì)算效率，本章提出了一種新的加速收斂算法。該算法首先通過一個(gè)三角傅利葉級(jí)數(shù)公式，將本征模展開法Z參數(shù)解析式中的雙無窮級(jí)數(shù)變成單無窮級(jí)數(shù)。然后引入一種特殊的Pade逼近算法—η算法，來加速這個(gè)單無窮級(jí)數(shù)的收斂。這種

6、方法不僅容易理解和操作，而且仿真結(jié)果證明了它具有很高的計(jì)算效率和很好的計(jì)算精度。論文中以一個(gè)L形帶孔平面對(duì)為例，將以上提出的反向組合法、分割法和加速收斂法同時(shí)應(yīng)用到本征模展開法中，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者吻合較好。并且，該方法的計(jì)算速度與有限元法的計(jì)算速度也進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果證明前者快于后者。另外，實(shí)例中還討論了去耦電容對(duì)同步開關(guān)噪聲的抑制作用。第四章將漸進(jìn)波形估計(jì)(AWE)技術(shù)和復(fù)跳頻法(CFH)引入同步開關(guān)噪聲的本征模展開法

7、分析當(dāng)中，避免了多頻點(diǎn)重復(fù)計(jì)算，從一個(gè)新的角度提高了本征模展開法的計(jì)算效率。為了求得電源／接地板上的時(shí)域同步開關(guān)噪聲電壓，需要用到快速傅利葉變換(FFT)和快速傅利葉反變換(IFFT)，因此需要求解大量頻率點(diǎn)上的阻抗信息。每個(gè)頻率點(diǎn)上的阻抗計(jì)算過程都是一樣的，這就存在了大量的重復(fù)計(jì)算，耗費(fèi)了許多計(jì)算時(shí)間和資源。為了避免多個(gè)頻率點(diǎn)上的重復(fù)計(jì)算，本論文提出將AWE技術(shù)應(yīng)用到本征模展開法中，將本征模展開法的阻抗公式看成一個(gè)變量為頻率的函數(shù)，通

8、過計(jì)算函數(shù)在某一頻率點(diǎn)上的阻抗值和函數(shù)在這一點(diǎn)上的多階導(dǎo)數(shù)值，可以迅速獲得展開點(diǎn)附近的一段變量范圍內(nèi)的精確解。當(dāng)一個(gè)展開點(diǎn)的覆蓋范圍不能涵蓋整個(gè)感興趣的頻率范圍的時(shí)候，又將多點(diǎn)展開技術(shù)CFH引入。這樣，就可以獲得任意指定頻率范圍內(nèi)的精確解，計(jì)算效率大大提高。幾個(gè)實(shí)例證明了AWE技術(shù)和CFH技術(shù)可以很順利地用到本征模展開法中，不存在零極點(diǎn)不穩(wěn)定的問題，計(jì)算精度非常高，計(jì)算速度也比傳統(tǒng)的每頻點(diǎn)重復(fù)求解法提高了幾十倍。 針對(duì)上述各種