信號完整性與電源完整性的仿真分析與設計
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一個典型背板信號傳輸的系統示意圖如圖1所示。本文中系統一詞包含信號傳輸所需的所有相關硬件及軟件，包括芯片、封裝與PCB板的物理結構，電源及電源傳輸網絡，所有相關電路實現以及信號通信所需的協議等。在設計時，需要硬件提供可制作的支撐及電信號有源/無源互聯結構；需要軟件提供信號傳遞的傳輸協議以及數據內容。但是，由于這些支撐與互聯結構會對電信號的傳輸呈現出一定的頻率選擇性衰減，因此，會對信號及電源的完整性產生影響。同時，在相同的傳輸環境下，不同傳輸協議及不同數據內容的表達方式具有不同的適應能力，因此，需要進一步根據實際的傳輸環境來選擇或優化可行的傳輸協議及數據內容表達方式?！?br />
圖1 背板信號傳輸的系統示意圖
版圖完整性問題、分析與設計
上述背板系統中的硬件支撐及無源互聯結構基本上都在一種層疊平板結構上實現。這種層疊平板結構可以由3類元素組成：正片結構、負片結構及通孔。正片結構有時也被稱為信號層，該層上的走線大多為不同邏輯連接的信號線或離散的電源線，在制版光刻中所有的走線都會以相同圖形的方式出現；負片結構有時也被稱為平面層(細分為電源平面層和地平面層)，該層上基本是相同邏輯的一個或少數幾個連接(通常是電源連接或地連接)，用大面積敷銅的方式實現，在光刻工藝中用相反圖形來表示；通孔用來進行不同層之間的物理連接。目前的制造工藝中，芯片、封裝以及PCB板大多都是在類似結構上實現的。
版圖完整性設計的目標在于為系統提供足夠好的信號通路以及電源傳遞網絡。電流密度分布對于版圖完整性設計與分析有著重要的意義，這是因為電流密度可以直觀地顯示信號的寄生耦合位置以及強度，從而幫助版圖調試者有針對性地采取耦合或解耦方案。
對于信號完整性來說，首要任務是保證信號通路在一定負載情況下呈現良好的匹配狀況，同時避免寄生耦合改變已設計好的匹配狀況。利用電磁場仿真不但可以準確地計算實際版圖結構中信號通路的匹配狀況，也可以計算信號通路周圍結構帶來的寄生耦合(如果周圍是信號線則通常被稱為串擾)，其強度可以直接表示為周圍走線或平面上感應所產生的電流密度，從而有助于優化版圖結構。除改變線距外，改變周圍其它電磁回路環境也會導致信號傳輸及串擾狀況的變化。比如，利用層與層之間的屏蔽可以改善原本放在頂層的走線信號傳輸或串擾性能。
對于電源完整性來說，增加電源與地之間的容性耦合可以濾除電源中的交流波動。在實際應用中，往往采取加解耦電容的方法。電流密度的動態顯示可以幫助設計者直觀了解到電源網絡中產生振蕩現象的原因。從而幫助設計者確定加解耦電容的最佳位置。
圖2中模擬了一種簡單的電源傳遞網絡，電源平面和地平面是規整的矩形，這有助于定性地驗證電磁場仿真結果。工作器件與供電電源分別連接在矩形的兩個對角上。假設工作器件對于該供電網絡的阻抗為20。利用電磁場仿真可以觀察電流從端口1流入，經過該電源傳遞網絡再從端口2流出的損耗狀況。
圖2 簡單的電源傳遞網絡仿真
仿真中用一個過孔在電源連接處短接電源平面與地平面來模擬接上電源的情況(假設電源內阻很小可以忽略)。由仿真結果可知此電源傳遞網絡在1GHz頻段內出現了3個主要諧振區域，分別在200MHz、500MHz以及1GHz附近。諧振區域的存在對于電源完整性會產生一定的影響：如果工作器件(以典型的CMOS器件為例)在諧振頻點上工作，會產生同樣頻點的電源電流需求，但是，由于存在諧振，從供電電源端到器件電源輸入端就會產生明顯的壓降，從而使工作器件上實際的工作電壓達不到預期值，導致器件性能惡化，甚至無法正常工作。解決上述問題的常用方法是加解耦電容，使電源網絡的諧振區遠離器件的工作頻率。通過電流密度分布的顯示可以了解振蕩原因，從而采取針對性方法。對上述電源網絡來說，可以加一個過孔來模擬解耦電容，并通過改變過孔的位置來觀察諧振模式及諧振點的變化，從而找到放置解耦電容的最佳位置。
電路完整性設計與分析
從TTL、GTL 到HSTL、SSTL以及 LVDS，目前芯片接口物理標準的演變反映了集成電路工藝的不斷進步，同時也反映了高速信號傳輸要求的不斷提高。從版圖完整性的分析過程可知，只有結合了互聯結構兩端負載特性的仿真結果才具有實際意義，而負載特性是由其連接的電路特性所決定的，因此，在完整性設計中，了解這些接口標準是非常必要的。隨著傳輸速率的不斷增加，翻轉速率控制電路、驅動負載控制電路被廣泛使用，它們為完整性設計者提供了更多的優化空間。在具體的完整性分析中，電路設計者需要考慮這些控制的實際實現方式，因為它們會影響到電路的負載特性以及波形性能。另外，還需考慮芯片上解耦電容的實現。
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