2010年8月 第37卷第4期 西安电子科技大学学报(自然科学版) J0URNAL 0F XIDIAN UNIVERSITY Aug.2010 V01.37 No.4 非理想互连的传输线模型及串扰分析 丁同浩 ,李玉山 ,张 伟 , 曲咏哲 , 闫 旭 (1.西安电子科技大学电路CAD研究所,陕西西安710071; 710071) 2.西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室,陕西西安摘要:在理想互连传输矩阵级联模型的基础上,通过引入返回路径不连续的传输矩阵,提出了一种新的 模型.把非理想返回路径传输矩阵级联模型分析结果与S参数模型分析结果对比,验证了新模型的准确 性,新模型可以准确地得到非理想互连上信号的耦合串扰噪声.最后分析研究了开槽对串扰的影响.仿 真结果表明,传输线应紧挨开槽端口布线,并且传输线间距应尽量大. 关键词:传输矩阵;串扰;S参数模型;开槽 中图分类号:TN811 文献标识码:A 文章编号:1001—2400(2010)04—0694—06 Transmission line model and crosstalk analysis of non—ideal interc0nnect DING Tong—hao ,LI Yu—shan ,ZHANG Wei ,QU Yong—zhe ,YAN Xu (1.Research Inst.of Electronic CAD,Xidian Univ.,xi’an 710071,China; 2.Key Lab.of Antennas and Microwave Technology,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China) Abstract:The transmission matrix for return path discontinuity is introduced tO the transmission matrix model of ideal interconnect.and a new model is presented.Compared with the S—parameter model,the performance of the new model is verified and the accurate coupling crosstalk noise of non—ideal interconnect can be obtained.Finally.the influence of cutout on crosstalk iS also studied.Simulation results show that the transmission lines should be placed close to the edge of cutout and that the space between two lines should be as 1arge as possible. Key Words:transmission matrix;crosstalk;S-parameter model;cutout 随着信号转换速度越来越高,传输线密度日趋增大,串扰已经成为电路设计的主要难题,过大的串扰噪 声将导致电路设计的失败,造成产品设计成本的增加和周期的延长.因此在产品设计的早期,对电路中存在 的串扰噪声进行准确的预测和防护变得至关重要.笔者正是在这一背景下,给出了一种能够准确预测非理想 互连上串扰噪声的模型. 目前对耦合串扰噪声的抑制已经进行了大量的研究,如传输线的距离应尽量远[】],返回路径应尽量短且 完整,使用防护线等.同时电路建模技术也得到了很大的发展,如局部元件等效电路法(PEEC),矩量法 (MOM),时域有限差分法(FDTD),有限元法(FEM).已有文献提出了传输线串扰的传输矩阵模型_2 ],但是 没有考虑返回路径不连续对传输线耦合的影响.在实际电路中,开槽、电源岛[7-9]等返回路径不连续会导致信 号的严重耦合,影响信号传输质量.笔者在已有传输矩阵模型的基础上考虑了开槽等非理想平面对信号波形 的影响,与HFSS提取的s参数模型仿真结果对比,验证了模型的准确性,并在改进的模型基础上,研究和 分析了开槽对耦合串扰噪声的影响及对串扰噪声的抑制. 收稿日期:2009 04—10 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60672027,60871072);教育部博士点基金资助项目(20050701002) 作者简介:丁同浩(1985),男,西安电子科技大学博士研究生,E mail:dingtonghao1985@126.corn. 第4期 丁同浩等:非理想互连的传榆线模型及串扰分析 695 开槽对信号的影响 在电路中,电流总是流经阻抗最小的路径,当信号频率处于百兆赫甚至更高频率时,阻抗表现为感性,为 使信号感受的阻抗最小,信号返回电流总是紧挨着传输线流回源端.如图1(a)所示,当传输线跨过开槽,为 使回路阻抗最小,信号返回电流将沿着开槽边缘流回源端,增加了如式(1)所示的开槽电感 ”],D为传输 线与槽端的距离,w为传输线宽度.如图1(b)所示,理想信号由跨过开槽的传输线传送到接收端,增加的额 外电感滤除了信号的一部分高频分量,减缓了边沿变化率,使输出信号曲线变得平滑. Lm≈5D ln(D/W). (1) - D + 露 …一佰~返回号 电流况 D l 曩 {i开‘ 槽・ 袋 ・ 一。 f接 r---——- -—- ——呻 一一i 端 (a)传输线跨过开槽 时间/ns (b)输入输出信号 图1 传输线跨过开槽示意图与驱动端和接收端的输入输出信号 由式(1)可知,减小传输线与开槽边缘的距离可以减小开槽电 感,从而减小开槽对信号波形的影响,并且开槽宽度几乎不影 响传输线的回路电感. 使用Ansoft HFSS提取的开槽平面电流分布如图2所示. 为减小回路阻抗,平面上电流沿着开槽的边缘流回源端,频率 越高,开槽边缘的电流密度越大,因此当两条高频传输线同时 跨过开槽时,两条传输线的返回电流将流经开槽返回源端,大 量的返回电流在开槽边缘产生强耦合,一条传输线的能量通过 开槽传送到另一条传输线上,此时即使传输线间距达到6倍线 宽,产生的耦合依然很大,导致传输线产生严重的串扰噪声. 图2传输线跨过开槽平面的返回电流分布图 2非理想返回路径串扰的传输矩阵模型 传输线的传输矩阵级联模型如图3所示,通过在开槽位置使用开槽集总模型对非理想返回路径传输线 建模,引人了非理想返回路径对传输线耦合串扰噪声的影响.在传输矩阵级联模型的基础上,给出了信号串 扰的传输函数,并且利用有理数近似拟合写出串扰的时域表达式.为了简化推导过程,假设两传输线对称的 位于开槽两边,因此两传输线的等效单位长度电阻、电感和电容分别为r,z,C,互感和互容为z 和c ,开槽 处传输线的等效电阻、电感、互感和互容分别为 ,z ,z ,C . 对图3第1节RLC模型应用基尔霍夫电压电流定理,有 (s)一(r+s1)AxI (s)+SlmAxI (s)+V l(s) , V (5)一(r+s1)AxI (s)+sl AxI (5)+V (s) , (2) (3) I (s)一V (s)csAx+(V (s)一V (s))c SAx+ (s) . (4) 设VP 一KV ,VP 一KV , 一C+(1一K)c ,a一(((r+s1)。一(sl ) )/(r+s(t~KZ )))Ax以及d==: Ax,由式(2)~(4)得到第1节RLC模型的传输矩阵为 696 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第37卷 y t r L" y j r"L y }__— 丽 [ a [V q (s)]. ㈣ 对第q节的开槽RLC模型,应用基尔霍夫电压电流定理,有: V (s)一(r +sZ ) (5)+sZ I加(5)+V +1(5) , (6) 加(5)一(r + ) 加(s)+ I ( )+V加+1( ) , (7) f (s)一(V +1(s)一V加+1(s))cgs+工 +1(s). (8) 设V功==:KV ,V +1一KV +1,d 一54" (1--K),口 一((r +slg)。一(sl ) )/(r +s(z 一Kl )),由式(6) ~(8)可得开槽上端传输线的传输矩阵为 『lL』 V ] (5)J l 一『lL + dl 1儿] l『I 』时1(s)J ] . 1. (9) 整条传输线可以表示为式(5)矩阵与式(9)矩阵的级联,则输入输出关系为 l I 。 (s)] I一[L +d a 1 L] [ +d 1 1]儿[ 1+d a ] L [ ]. J (s) c 。 当q和 一q一1均趋向无穷时,有 liar 『l + ]l—I 一『Lsi 。nh(sh L)/zo( L) Z ocosh( sinh( L)J  ̄L],l , (1¨ 1) 一。。L d 1 其中L表示传输线的长度, 和z。分别为考虑传输线间耦合的传播常数和特性阻抗,即 “一一 △ -z 一\一( (等 Kr+s(Z一 )l ) /) , ’ 一 ( 一( 等 )“ . 由式(10)和式(11)可得传输线 级级联传输矩阵为 (s)] r cosh(y ̄L1) 乙sinh(LL1)]r1+口1d1 n1] l(s)Il—I /si nh( L1)/z。 cosh( L1)儿l Jd1 1 Jl ● r cosh( L 2) 乙sinh( L 2)]rV (s)] Lsinh( L 2)/zo cosh( L 2)儿. (s)J 考虑传输线的源端和负载,整条传输线的输入输出关系可写为 r ] r1 R ]r cosh( L1) 乙sinh( L1)]r1+a1dl a1] L工 ll—lLo 1 Jil{.si nh( L1)/ cosh( L1)儿.l{ d】 1 J l● Lsinh(LL/2) Zo cZo osihnh(L 瑚一[ 2)儿 o L儿AC DB . o J . 由式(15)和L— /R 可以得出输出信号为 一 第4期 丁同浩等:非理想互连的传输线模型及串扰分析 697 V。===V RLS/(RLsA+B). (16) 因此得到传输线串扰的信号传输函数为 H(s)一RLs/(RLSA+B) . (17) 当传输矩阵级数较高,计算量会很大,使用Pad6和Routh算法可以降低函数阶数,从而简化运算.根据近似 精度要求,通过使用近似拟合得到的 阶传输函数有 H(s)一1/(k(5一P1)(s—P2)(5一P3)(s—P4)…(s—P )) . (18) 通过Laplace反变换可以得到传输函数的时域形式为 h(£)一(是1 exp(p1£)+k1 exp(p2 )+k1 exp(p3£)+k1 exp(p4 )+…+k1 exp(p t))/是. (19) 由式(19)得出输出信号的时域响应表达式为 / 、 。一 ((足1 exp(p1 )+k1 exp(p2£)+k1 exp(p3£)+k1 exp(p4£)+…+k1 exp(p t))/k) .(20) 式(2O)意义简单,可以方便地计算出传输线串扰的时域响应,对于估算出非 受害线攻击线 理想传输线的信号失真非常方便. 3串扰特性的仿真与分析 利用HFSS提取如图4所示的耦合微带线的S参数模型,与传输矩阵级 联模型的仿真结果对比,验证了非理想返回路径传输矩阵级联模型的准确 性,并仿真和分析了开槽平面下不同传输线间距的耦合串扰噪声.15 mm长 的耦合微带线线宽w一0.15 mm,开槽与平行板上下边界的距离L 一 5.5 mm,Lz一9.0 mm,相对介电常数£,一4.4,攻击线与电路板距离S 一 图4传输线跨过开槽 1 mm,用Ansoft Q3D Extractor提取的集总元件参数如表1所示. 的串扰示意图 表1 不同情况下,传输线的集总元件参数 时间/ns (a)s参数模型 (b)传输矩阵级联模型 图5受害线的远端串扰噪声 图5分别显示了用HESS提取的s参数模型和传输矩阵级联模型仿真得到的受害线远端串扰,传输线 698 西安电子科技大学学报(自然科学gt) 第37卷 间距S一0.15mm.仿真中的参数设置与实际数字电路保持一致,攻击线输入上升时间为0.1 YIS,大小为1 V的 阶跃信号,受害线输入下降时间为0.1 ns,大小为1 V的阶跃信号,传输线负载看成一个理想电容.对比S参 数模型与传输矩阵级联模型仿真结果可知,两者电压波形变化趋势一致,S参数模型和传输矩阵级联模型获 得波形的最大振幅分别为0.38 V和0.44 V,两者差异仅为0.06 V,验证了传输矩阵级联模型的准确性. 时间Ins (a)理想地平面S=O.15mm (b)开槽平面S=0.15mm 时间/ns (c)开槽平面S=0.45mm 时间/ns (d)开槽平面S=I.00mm 图6不同情况下的受害线串扰噪声 对图3所示的电路模型,使用Hspice仿真得到的不同间距下的开槽上传输线的串扰耦合噪声如图6所 示,攻击线输入上升时间为0.1 ns,大小为1 V的阶跃信号,受害线保持低电平,与理想返回平面相比,开槽严 重增加了传输线间的耦合,当传输线间距S=0.15mm时,开槽上受害线的近端串扰噪声和远端串扰噪声大 约为理想平面上传输线耦合串扰噪声的两倍,同时随着传输线问距s的增大,远端串扰和近端串扰不断减 小.传输线串扰不仅跟传输线问距有关,而且与传输线到开槽边缘的距离相关,传输线与开槽边缘的距离越 大,传输线间的耦合也就越大.综上所述,当印刷电路板没有了布线空间,传输线不得已通过开槽等不连续平 面时,传输线应尽量紧挨着开槽的边缘以减小增加的开槽电感和信号耦合,从而降低信号失真. 4结束语 该文利用传输矩阵级联模型给出了非理想返回路径传输线串扰的频域和时域表达式,意义清晰,形式简 单.通过与S参数模型对比,验证了非理想返回路径传输矩阵级联模型的准确性,并且研究和分析了开槽对 耦合串扰噪声的影响.最后得出了电路设计规则,当传输线跨过开槽时,应尽量减小开槽尺寸,同时传输线间 距应尽量大,并且传输线要紧挨着开槽端口布线. 参考文献: [1]Eric B.Signal Integrity-Simplified[ .New Jersey:Prentice Hall PTR,2003:436—443. 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