信号完整性和器件的特性阻抗

作者：Bonnie Baker，德州仪器 (TI)

在您努力想要稳定板上的各种信号时，信号完整性问题会带来一些麻烦。IBIS 模型是解决这些问题的一种简单方法。您可以利用 IBIS 模型提取出一些重要的变量，用于进行信号完整性计算和寻找 PCB 设计的解决方案。您从 IBIS 模型提取的各种值是信号完整性设计计算不可或缺的组成部分。

当您在您的系统中处理传输线路匹配问题时，您需要了解集成电路和PCB线路的电阻抗和特性。图 1 显示了一条单端传输线路的结构图。



图 1 连接发射器、传输线路和接收器组件的单端传输线路

就传输线路而言，我们可以从 IC IBIS 模型提取IC的发射器输出阻抗 (ZT, Ω)和接收器输入阻抗（ZR, Ω）。许多时候，IC 厂商产品说明书中并没有说明这些集成电路 (IC) 规范，但是您可以通过IBIS模型获得所有这些值。

您可以用下面四个参数定义传输线路：特性阻抗（Z0, Ω）、板传播延迟（D, ps/in）、线路传播延迟（tD，秒）和线迹长度（LENGTH，英寸）。一般而言，FR-4 电路板的 Z0 范围为 50Ω到75Ω，而 D 的范围为 140 ps/in 到 180 ps/in。Z0 和D 的实际值取决于实际传输线路的材料和物理尺寸（《参考文献 1》）。特定电路板上的线路延迟（tD）等于传播延迟（D）乘以您所使用线迹的长度（LENGTH）。所有板的计算方法均为：

D = 1012 Ö (CTR * LTR) or     
D = 85 ps/in *  Ö (er)               
Z0 = Ö(LTR/CTR)            
tD = D * LENGTH     

使用 FR-4 板时，合理的带状线传播延迟为 178 ps/ 英寸，特性阻抗为 50Ω。

用于信号完整性评估的发射器规格为输出阻抗 (ZT)。确定输出阻抗时，IBIS 模型中的 [Pin] 区提供每个引脚的电阻、电感和电容寄生值。之后，您可以将封装电容与各个缓冲器的电容值（C_comp）放在一起，以便于更清楚地了解。

正如 [Pin] 关键字上面的 [Component]、[Manufacturer] 和 [Package] 描述的那样，[Pin] 关键字与具体的封装有关。您会在[Pin]关键字表中找到封装电容和电感，因为它与引脚有关。例如，在ads129x.ibs模型中（《参考文献 2》），图 2 表明了在哪里可以找到引脚 5E（PBGA，64 引脚封装）信号 GPIO4 的 L_pin 值和 C_pin 值。



图 2 包括 C_pin 值在内的 ads1296zxg 封装的封装列表

该信号和封装的 L_pin（引脚电感）和 C_pin（引脚电容）分别为 1.489 Nh 和　0.28001 pF。

第二个重要的电容值是 [Model] 关键字下面的 C_comp 值。正如您在 IBIS 模型中找到正确的模型一样，您也会找到一份 C_comp 值的列表。图 3 显示了 DIO_33模型中 C_comp 的一个例子（《参考文献 2》）。

  
图 3 ads129x.ibs 中，其为 Model DIO_33 及其相关 C_comp 值的列表。

在图 3 的声明中，“|”符号表示一段注释。该声明中的有效 C_comp（《参考文献 3》）列表为：

|                       typ                     min              max
|                   (nom PVT)             (Fast PVT)        (slow PVT)
C_comp           3.0727220e-12    2.3187130e-12    3.8529520e-12

通过该列表，PCB 设计人员可以在三个值之中做出选择。在 PCB 传输线路设计阶段，3.072722 Pf 的典型值是正确的选择。

IBIS 模型为 PCB 设计人员提供了一些线索，让他们可以在转到样机设计以前进行板模拟。如果您知道了查找的方法，IBIS 模型就可以为您提供所有引脚的特性阻抗和电容。评估工作的下一步是确定每个缓冲器的输入/输出电阻，我们将在下次为您介绍。

参考文献：

1、高速数字设计：黑魔法手册，作者：Johnson, Graham, Prentice Hall
ads129x.ibs, IBIS 模型，sbam021b，TI
3、产品说明书之外的收获—IBIS，作者：Baker, Bonnie