了解仿真中的互连電(diàn)阻和瞬态

2020-05-04

互连電(diàn)阻和阻抗是控制PCB和IC中瞬态信号行為(wèi)的两个重要概念，在互连设计阶段需要考虑这些重要概念。无论是在FR4还是有(yǒu)损芯片上布線(xiàn)，都需要使用(yòng)布局前仿真工具评估设备的行為(wèi)，以确保信号表现出预期的效果。这是要在互连電(diàn)阻和阻抗的任何電(diàn)路仿真中包括的要点。

PCB与IC互连電(diàn)阻和阻抗

回到您的電(diàn)子學(xué)101类，您应该回想起确定互连電(diàn)阻的原因：

形成互连的金属的電(diàn)导率；

互连的截面积；

互连的总長(cháng)度。

这只是電(diàn)阻部分(fēn)，但即使在高频下也仍然存在一些電(diàn)抗部分(fēn)。实际上，导體(tǐ)中的集肤效应為(wèi)互连阻抗提供了新(xīn)的電(diàn)阻性和電(diàn)抗性。这些要点适用(yòng)于PCB互连和IC互连。互连的阻抗及其与负载组件的匹配将决定通过系统的功率传输，但是瞬态信号的行為(wèi)在高速/高频系统中变得更加重要。

实际的互连不仅仅是電(diàn)阻性的，在互连的整个長(cháng)度上都有(yǒu)寄生電(diàn)容和電(diàn)感。在检查IC和PCB互连的電(diàn)路模型时，您需要使用(yòng)标准的传输線(xiàn)模型。集总元素模型是了解互连阻抗及其与互连几何关系的强大工具。通常，您会串联级联多(duō)个部分(fēn)（例如，像Pi过滤器一样）。另外，集总電(diàn)路模型可(kě)以使用(yòng)单位長(cháng)度等效電(diàn)路值进行汇总，如下所示。

更高级的模型应使用(yòng)大量的集总元素，以提供更准确的瞬态分(fēn)析结果。对于IC和PCB中的实际互连，上述等效電(diàn)路的不同部分(fēn)将对互连阻抗起主要作用(yòng)。当您要关注将主导信号行為(wèi)的关键電(diàn)路元件时，这是要考虑的重要点。

主导互连阻抗的因素是什么？

在PCB中，電(diàn)阻和電(diàn)容共同决定整體(tǐ)互连阻抗。这是因為(wèi)PCB上的走線(xiàn)的横截面面积比其IC对应的横截面积大，因此它们的電(diàn)阻低于沿着互连線(xiàn)的電(diàn)感性阻抗。一旦信号带宽达到10 GHz，趋肤效应就开始在PCB传输線(xiàn)中变得重要，并且阻抗将开始增加，超过标准饱和值。

在集成電(diàn)路内，互连電(diàn)阻的贡献更大，这仅仅是因為(wèi)导體(tǐ)的横截面积较小(xiǎo)。这超过了集成電(diàn)路中使用(yòng)的较短的走線(xiàn)長(cháng)度。但是電(diàn)感呢(ne)？電(diàn)感和電(diàn)容仍然结合在一起，产生的互连阻抗比IC中的缓冲级要小(xiǎo)。

那么為(wèi)什么互连電(diàn)阻很(hěn)重要？这里的重点是由IC中的互连電(diàn)阻和寄生電(diàn)容产生的RC延迟，这两者都比PCB中的相应值大得多(duō)。驱动晶體(tǐ)管具有(yǒu)一些输出電(diàn)容，应将其包括在電(diàn)路仿真中。由输出電(diàn)容和互连電(diàn)阻产生的组合RC延迟会减慢信号上升时间。随着晶體(tǐ)管的规模越来越小(xiǎo)，電(diàn)容的平方规模也越来越大，从而导致互连線(xiàn)的延迟在较小(xiǎo)的技术节点处增加（见下文(wén)）。

在存在上述等效電(diàn)路元件的情况下，预布局仿真可(kě)以很(hěn)好地说明信号行為(wèi)，但在两个方面仍存在不足：色散和趋肤效应损耗。但是，通过检查電(diàn)路電(diàn)流的相位和大小(xiǎo)或提供電(diàn)路中特定组件的压降测量值，以瞬态分(fēn)析形式进行的布局前仿真对于電(diàn)路分(fēn)析特别有(yǒu)价值。 

在设计阶段还需要考虑其他(tā)重要的寄生因素，例如键合線(xiàn)電(diàn)感，因為(wèi)它们会导致传播延迟，并且会改变互连阻抗。但是，计算互连预仿真的寄生参数可(kě)以缩短计算时间并通过参数提取和提供准确的模型来加快设计周期。考虑到信号行為(wèi)的这些重要方面，需要3D场求解器或更先进的分(fēn)析技术。

真正的互连需要3D场求解器

布局前的仿真功能(néng)无法解决因集肤效应引起的互连電(diàn)阻和阻抗变化，也无法适当解决介電(diàn)基板中的色散问题。通过时域预布局仿真可(kě)以很(hěn)好地了解瞬态信号的行為(wèi)，但是要使设计达到更高的水平，则需要使用(yòng)3D 電(diàn)磁场求解器进行布局后仿真。 

利用(yòng)正确的仿真功能(néng)，您可(kě)以直接解决介電(diàn)色散，导體(tǐ)中的趋肤效应以及封装/電(diàn)路板几何形状的问题，而无需使用(yòng)等效電(diàn)路模型。这使您可(kě)以更真实地了解信号行為(wèi)，并帮助您评估等效電(diàn)路模型的准确性。