电源完整性与地弹噪声的高速PCB仿真原理及设计

　　高速数字电路板设计者所遇到的问题在几年前看来是不可想象的。对于小于1纳秒的信号沿变化,PCB板上电源层与地层间的电压在电路板的各处都不尽相同,从而影响到IC芯片的供电，导致芯片的逻辑错误。为了保证高速器件的正确动作，设计者应该消除这种电压的波动，保持低阻抗的电源分配路径。

　　为此，你需要在电路板上增加退耦电容来将高速信号在电源层和地层上产生的噪声降至最低。你必须知道要用多少个电容，每一个电容的容值应该是多大，并且它们放在电路板上什么位置最为合适。一方面你可能需要很多电容，而另一方面电路板上的空间是有限而宝贵的，这些细节上的考虑可能决定设计的成败。

　　反复试验的设计方法既耗时又昂贵，结果往往导致过约束的设计从而增加不必要的制造成本。使用软件工具来仿真、优化电路板设计和电路板资源的使用情况，对于要反复测试各种电路板配置方案的设计来说是一种更为实际的方法。本文以一个xDSM(密集副载波多路复用)电路板的设计为例说明此过程，该设计用于光纤/宽带无线网络。软件仿真工具使用Ansoft的SIwave，SIwave基于混合全波有限元技术，可以直接从layout工具Cadence Allegro, Mentor Graphics BoardStation, Synopsys Encore和 Zuken CR-5000 Board Designer导入电路板设计。图1是SIwave中该设计的PCB版图。由于PCB的结构是平面的，SIwave可以有效的进行全面的分析，其分析输出包括电路板的谐振、阻抗、选定网络的S参数和电路的等效Spice模型。

　　图1, SIwave中xDSM电路板的PCB版图，左边是两个高速总线，右边是三个Xilinx的FPGA。

　　xDSM电路板的尺寸，也就是电源层和地层的尺寸是11×7.2 英寸(28×18.3 厘米)。电源层和地层都是1.4mil厚的铜箔，中间被23.98mil厚的衬底隔开。

　　为了理解对电路板的设计，首先考虑xDSM电路板的裸板(未安装器件)特性。根据电路板上高速信号的上升时间，你需要了解电路板在频域直到2GHz范围内的特性。图2所示为一个正弦信号激励电路板谐振于0.54GHz时的电压分布情况。同样，电路板也会谐振于0.81GHz和0.97GHz以及更高的频率。为了更好地理解，你也可以在这些频率的谐振模式下仿真电源层与地层间电压的分布情况。

　　图2所示在0.54GHz的谐振模式下，电路板的中心处电源层和地层的电压差变化为零。对于一些更高频率的谐振模式，情况也是如此。但并非在所有的谐振模式下都是如此，例如在1.07GHz、1.64GHz和1.96 GHz的高阶谐振模式下，电路板中心处的电压差变化是不为零的。

　　图2, 正弦信号激励电路板谐振于0.54GHz时的电压分布情况。