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  结构进行反复调整，最后的Spectra Quest软件仿真根据结果得出，改进后的电路

  随着集成电路工艺技术的发展，多芯片组件工作速度慢慢的升高，高速信号的处理已成为MCM电路设计能不能成功的关键。当时钟信号的上升沿或下降沿很小时，就会导致传输线效应，即出现信号完整性问题。本设计按照图1所示的MCM布局布线设计流程，以检测器电路为例，详细阐述了利用信号完整性分析工具进行MCM布局布线设计的方法。首先对封装零件库加以扩充，以满足具体电路布局布线设计的需要；然后利用APD(Advanced Package Designer)软件直接调用零件封装符号，完成电路初步的布局布线设计；最后结合反射延时和电磁兼容等信号完整性仿真分析结果进行反复调整，改进后的电路布局布线减小了信号的反射，输入信号的相对延时不超过0.2ns，电磁干扰现象也得到了抑制，满足信号完整性要求。

  MCM布局布线的软件实现如上所述，MCM布局布线的实现包括电路原理图生成、扩充零件库及最终的布局布线完成和加工数据文件输出。APD Layout包括Padstack(*.pad)、Package Symbol(*.psm)、Mechanical Symbol(*.bsm)、Format Symbol (*.osm)和Shape Symbol(*.ssm)五种，MCM布局布线设计中，所有的布局都必须有正确的Library Packing。MCM设计软件自带封装库往往不能满足具体设计的基本要求，只有扩充零件库后，才能直接调用零件进行布局布线设计及最终的工艺文件输出。首先利用Padstack Editor软件扩充零件库，然后对电路进行封装，并通过Concept HDL给APD软件导出电连接网表文件，最后完成电路布局布线。以检测器电路为例，其原理图主要部分如图2所示，图3为CCT(Spectra)布线后的形式。整个设计中，定义了16个Padstack和81个封装符号，进行251次调用Padstack和89次调用功能单元，其用到了251个元件封装符号引脚和229个功能单元引脚。必须要格外注意的是，具体设计时，若利用Orcad进行电路前期设计，则必须将Orcad生成的文件转换为APD软件的mcm文件。但由于转换后的mcm文件存在类似brd的问题，因此，采用Concept HDL软件来导出网表文件，然后提取网线拓扑结构可以进行仿真。为减少仿真时间，采用分模块仿真方法。

  仿真分析IBIS模型Spectra Quest和其他电路分析软件一样，要得到精确的仿真结果，必须首先给电路元件提供精确的电气模型。Spectra Quest软件使用的是IBIS模型。IBIS(输入/输出缓冲信息规范)模型采用I/V和V/T表的形式来描述I/O单元和引脚的特性，是一种基于V/I曲线的对I/O BUFFER快速准确建模的方法。它提供一种标准的文件格式来记录如驱动器或接收器输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数，这些参数由Spectra Quest来读取。IBIS模型具有信号完整性分析所需要的信息，很适合做振荡和串扰等高频效应的计算与仿真。Spectra Quest内部的Sigxplorer接受IBIS模型，然后将其转换为独特的设计模型化语言DML，以完成复杂I/O结构的建模。而且，Sigxplorer中的Constraint Manager能够对仿真中使用的参数来管理，并将其嵌入到后续布局布线约束条件中。反射分析反射即传输线上的回波，是由于阻抗的不连续而引起的。源端与负载端阻抗不匹配会引起线上的反射，负载将一部分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负；反之，反射电压为正。理想的情况是输出阻抗、传输线阻抗及负载阻抗均相等，此时，传输线的阻抗是连续的，不会发生任何反射。反射电压信号的幅值由源端反射系数rS和负载反射系数rL决定，分别如下式所示：(1)(2)式中，RS为源阻抗，Z0为传输线阻抗，RL为负载阻抗。若RL=Z0，则负载反射系数rL=0；若RS=Z0，则源端反射系数rS=0。解决传输线反射的关键是阻抗控制，阻抗匹配能抑制传输线反射，主要有：并联端接、Thevenin等效并联端接、AC端接和串联端接法四种匹配端接方法。这里采用Thevenin等效并联端接法，对检测器电路输入部分阻抗来控制，然后提取电路拓扑结构，分别仿真匹配端接前、后电路的传输特性。用频率为50MHz，占空比为0.5的Pulse信号作触发，图4和图5分别为利用Signoise工具仿真得到的匹配端接前、后的仿真波形。从图中能够准确的看出，端接前，波形在上升沿有畸变发生，会造成误操作。匹配端接有效地消除了信号的畸变，单调性很好，而且在上升沿拉升了原信号，提前进入电平切换，增加了信号的稳态时间，信号的上升沿也比较平稳。虽然在高电平的维持阶段有上过冲，但对信号确认没有影响，信号质量比较理想。另外，信号传输线长度对反射也有一定的影响。仿真发现，传输线较长时，出现了预示的反射现象，如图6所示；而传输线较短时，仿真波形和分析结果吻合得很好，如图7所示。表1为上述两种情况下的波形仿真参数。所以，布线长度不同，其处理方法也应不同。一般来说，走线英寸，以集总参数的LC电路来处理；大于8英寸，则以分布参数的传输线电路来对待。延时分析随着系统工作频率的升高，当信号上升沿或下降沿很陡时，布线延时不能再被忽略。它对信号的建立和保持起着至关重要的作用，甚至有可能影响系统的时序，产生误操作，所以必须予以考虑。MCM高速电路设计的基本要求存储芯片的相位偏差不能过大，因此驱动端到接收端的布线延时应大致相等。延时和信号线长度的关系如下式所示：

  (3)式中，莆映伲琫为介电常数，r为电阻率，w为线为芯片之间的平均距离。由式(3)能够准确的看出，信号线长度对传输质量影响很大，可能使信号在传输过程中产生畸变。信号传输质量随着线长的增加而变差，对于过长的信号线，应采用源端或终端匹配的方法来改善传输质量。利用信号完整性仿真工具，可以方便地模拟从驱动端到各芯片的延时，然后结合仿真结果对布局布线做调整，以达到预定的要求。检测器的每个信号应尽可能保持同一传输延迟，这就要求布线时尽可能保持长度一致，对于微弱的差别，能够准确的通过仿真结果延长或缩短布线。完成布线以后，再利用Spectra Quest软件仿真输入信号的传输延迟，具体参数如表2所示。能够准确的看出，其相对延时不超过0.2ns，仿真结果比较理想。EMI分析以上在时域中分析了信号的反射和延时，除此之外，EMI(电磁干扰)也是高速电路设计的一个重要方面。电磁干扰包括过量的电磁辐射和对电磁辐射的敏感性两方面，工作频率太高、信号变化太快或布局布线不合理等都会引起电磁干扰效应。分别对改变布线策略，增加终端匹配前、后的检测器电路进行EMI仿线为布局布线调整前的仿真波形，垂直条长度指信号在该频率的电磁辐射强度，横线指系统可承受的最大辐射强度。从图中能够正常的看到，信号所产生的噪声从0延续到2GHz，范围很宽，而且每个频率的辐射强度不完全一样，某些频率的辐射强度超出了限制，即信号在该频率的电磁干扰已经超出系统所能承受的程度，应该采取一定的措施降低其辐射水平。按照前述的办法来进行阻抗控制，并尽量减小布线长度，重新仿线所示。能够正常的看到，超过限制的频率波已降到横线以下，并且各频率点的辐射强度均会降低，整个辐射强度都有所降低。这说明，对于传输信号，改变布线长度和增加适当的匹配端接网络，不仅改善了信号的传输特性，也降低了电磁辐射强度，提高了信号的质量。

  结语高速电路设计时，首先利用精确的器件模型对系统功能进行信号完整性和EMI仿真分析，以此来确定电路的布局布线，然后再进行仿真，对布线网络加以改进，直至得到满意的布线结果。本设计主要对MCM布局布线设计技术，结合检测器封装实例，分别在时域和频域对MCM布局布线时的反射、延时和EMI等问题进行了仿真和分析，取得了较好的效果。■