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了解仿真中的互連電阻和瞬態(tài)
互連電阻和阻抗是控制PCB和IC中瞬態(tài)信號(hào)行為的兩個(gè)重要概念，在互連設(shè)計(jì)階段需要考慮這些重要概念。無(wú)論是在FR4還是有損芯片上布線，都需要使用布局前仿真工具評(píng)估設(shè)備的行為，以確保信號(hào)表現(xiàn)出預(yù)期的效果。這是要在互連電阻和阻抗的任何電路仿真中包括的要點(diǎn)。
PCB與IC互連電阻和阻抗
回到您的電子學(xué)101類，您應(yīng)該回想起確定互連電阻的原因：
形成互連的金屬的電導(dǎo)率；
互連的截面積；
互連的總長(zhǎng)度。
這只是電阻部分，但即使在高頻下也仍然存在一些電抗部分。實(shí)際上，導(dǎo)體中的集膚效應(yīng)為互連阻抗提供了新的電阻性和電抗性。這些要點(diǎn)適用于PCB互連和IC互連。互連的阻抗及其與負(fù)載組件的匹配將決定通過系統(tǒng)的功率傳輸，但是瞬態(tài)信號(hào)的行為在高速/高頻系統(tǒng)中變得更加重要。
實(shí)際的互連不僅僅是電阻性的，在互連的整個(gè)長(zhǎng)度上都有寄生電容和電感。在檢查IC和PCB互連的電路模型時(shí)，您需要使用標(biāo)準(zhǔn)的傳輸線模型。集總元素模型是了解互連阻抗及其與互連幾何關(guān)系的強(qiáng)大工具。通常，您會(huì)串聯(lián)級(jí)聯(lián)多個(gè)部分（例如，像Pi過濾器一樣）。另外，集總電路模型可以使用單位長(zhǎng)度等效電路值進(jìn)行匯總，如下所示。
更高級(jí)的模型應(yīng)使用大量的集總元素，以提供更準(zhǔn)確的瞬態(tài)分析結(jié)果。對(duì)于IC和PCB中的實(shí)際互連，上述等效電路的不同部分將對(duì)互連阻抗起主要作用。當(dāng)您要關(guān)注將主導(dǎo)信號(hào)行為的關(guān)鍵電路元件時(shí)，這是要考慮的重要點(diǎn)。
主導(dǎo)互連阻抗的因素是什么？
在PCB中，電阻和電容共同決定整體互連阻抗。這是因?yàn)?/span>PCB上的走線的橫截面面積比其IC對(duì)應(yīng)的橫截面積大，因此它們的電阻低于沿著互連線的電感性阻抗。一旦信號(hào)帶寬達(dá)到10 GHz，趨膚效應(yīng)就開始在PCB傳輸線中變得重要，并且阻抗將開始增加，超過標(biāo)準(zhǔn)飽和值。
在集成電路內(nèi)，互連電阻的貢獻(xiàn)更大，這僅僅是因?yàn)閷?dǎo)體的橫截面積較小。這超過了集成電路中使用的較短的走線長(zhǎng)度。但是電感呢？電感和電容仍然結(jié)合在一起，產(chǎn)生的互連阻抗比IC中的緩沖級(jí)要小。
那么為什么互連電阻很重要？這里的重點(diǎn)是由IC中的互連電阻和寄生電容產(chǎn)生的RC延遲，這兩者都比PCB中的相應(yīng)值大得多。驅(qū)動(dòng)晶體管具有一些輸出電容，應(yīng)將其包括在電路仿真中。由輸出電容和互連電阻產(chǎn)生的組合RC延遲會(huì)減慢信號(hào)上升時(shí)間。隨著晶體管的規(guī)模越來越小，電容的平方規(guī)模也越來越大，從而導(dǎo)致互連線的延遲在較小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)處增加（見下文）。
在存在上述等效電路元件的情況下，預(yù)布局仿真可以很好地說明信號(hào)行為，但在兩個(gè)方面仍存在不足：色散和趨膚效應(yīng)損耗。但是，通過檢查電路電流的相位和大小或提供電路中特定組件的壓降測(cè)量值，以瞬態(tài)分析形式進(jìn)行的布局前仿真對(duì)于電路分析特別有價(jià)值。
在設(shè)計(jì)階段還需要考慮其他重要的寄生因素，例如鍵合線電感，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致傳播延遲，并且會(huì)改變互連阻抗。但是，計(jì)算互連預(yù)仿真的寄生參數(shù)可以縮短計(jì)算時(shí)間并通過參數(shù)提取和提供準(zhǔn)確的模型來加快設(shè)計(jì)周期。考慮到信號(hào)行為的這些重要方面，需要3D場(chǎng)求解器或更先進(jìn)的分析技術(shù)。
真正的互連需要3D場(chǎng)求解器
布局前的仿真功能無(wú)法解決因集膚效應(yīng)引起的互連電阻和阻抗變化，也無(wú)法適當(dāng)解決介電基板中的色散問題。通過時(shí)域預(yù)布局仿真可以很好地了解瞬態(tài)信號(hào)的行為，但是要使設(shè)計(jì)達(dá)到更高的水平，則需要使用3D 電磁場(chǎng)求解器進(jìn)行布局后仿真。
利用正確的仿真功能，您可以直接解決介電色散，導(dǎo)體中的趨膚效應(yīng)以及封裝/電路板幾何形狀的問題，而無(wú)需使用等效電路模型。這使您可以更真實(shí)地了解信號(hào)行為，并幫助您評(píng)估等效電路模型的準(zhǔn)確性。