高速电路的场路混合建模及电源完整性的研究

论文摘要

建立电源和地平面的等效电路模型是分析研究高速电路芯片、封装的电源／信号完整性的基础,是减小高速电路的电磁辐射、提高电路稳定性的前提条件,也是打破集成电路发展小型化、高速化过程中所遇瓶颈的关键要求。本文结合科技部国际科技合作项目“特高压电网二次系统的电磁兼容及可靠性技术研究”(2007DFA71250),重点研究了高速电路的场路混合建模方法,并通过实验和计算验证了本文方法的准确性和有效性。在此基础上,应用本文方法对高速电路的电磁辐射和同步切换噪声进行了计算与分析,研究了高速电路的电源完整性,提出了改善高速电路性能的方法和措施。本文主要研究成果如下：1.利用边界积分方程,建立了任意形状的高速电路的电源／地平面结构的等效电路模型,分析了介质的介电常数、损耗因子、厚度以及端口位置对阻抗参数的影响。2.通过高速电路的电源/地平面结构的开路阻抗参数和电磁场的等效原理,得到了高速电路任意形状的电源／地平面结构的电磁辐射模型,获得了高速电路的远场电磁辐射分布。3.提出了场路混合建模方法,将高速电路中含有槽的电源/地平面结构分解为平行平面结构和细槽结构,分别利用电磁场方法和电路方法对其进行建模,最后通过公共端口的电压电流关系获得了等效电路模型,实验和计算结果验证了场路混合建模方法的准确性和有效性。4.利用模式分解的方法,先将多层高速电路分解为多个信号线、细槽、通孔、平行平面子结构,再分别利用传输线方法、解析公式和积分方程法分别建模,获得了适用于多层含有细槽的高速电路的场路混合建模方法,可用于高速电路电源/信号完整性的分析。5.基于获得的高速电路的等效电路模型,分析研究了SSN机理和时域波形及其影响因素,并定量评价了两种提高电源完整性的方法和措施。本文研究成果可以应用于高速电路及其封装的快速建模和电磁特性分析,为高速电路设计、制造提供理论依据。

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第1章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 高速电路建模的研究

1.2.2 电源/信号完整性及SSN的研究

1.3 本文的主要工作

第2章信号线、通孔、细槽结构的等效电路模型

2.1 引言

2.2 信号线建模

2.2.1 微带线建模

2.2.2 带状线建模

2.3 通孔建模

2.3.1 电容模型

2.3.2 电感电阻模型

2.4 细槽建模

2.4.1 外部槽建模

2.4.2 内部槽建模

2.5 本章小结

第3章电源/地平面建模与辐射场分析

3.1 引言

3.2 边界积分方程法建模

3.2.1 问题描述

3.2.2 积分方程的计算

3.3 积分方程算法验证

3.3.1 矩形结构PCB计算

3.3.2 不规则结构PCB计算

3.4 影响阻抗参数的因素

3.4.1 相对介电常数

3.4.2 介质损耗因子

3.4.3 介质厚度

3.4.4 端口位置

3.5 PCB的辐射分析

3.5.1 辐射模型

3.5.2 等效原理

3.5.3 辐射场公式

3.5.4 计算结果

3.5.4.1 模型验证

3.5.4.2 电场分布

3.5.4.3 磁场分布

3.6 本章小结

第4章含槽的电源/地平面建模与分析

4.1 引言

4.2 场路混合建模法

4.2.1 建模思想

4.2.2 平行板建模

4.2.3 细槽结构建模

4.2.4 等效网络的连接

4.3 模型有效性的验证

4.3.1 含有槽的矩形结构PCB

4.3.2 含有槽的不规则结构PCB

4.4 多层高速电路建模方法

4.4.1 PCB结构分解

4.4.2 带状线等效电路的连接

4.4.3 多层电路计算

4.4.3.1 包含微带线的多层电路

4.4.3.2 包含带状线的多层电路

4.4.3.3 包含槽的多层电路

4.4.3.4 包含多个槽的多层电路

4.4.3.5 计算时间的比较

4.5 本章小结

第5章电源完整性的分析

5.1 引言

5.2 解耦电容对电源完整性的影响

5.2.1 电容的频率响应曲线

5.2.2 不同位置电容的去耦作用

5.2.3 不同容量电容的去耦作用

5.3 细槽对电源完整性的影响

5.3.1 细槽长度的影响

5.3.2 细槽宽度的影响

5.3.3 细槽形状的影响

5.4 SSN时域建模分析

5.4.1 建模思想

5.4.2 阻抗有理函数逼近与建模

5.4.3 模型验证和SSN计算

5.5 本章小结

第6章结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介

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