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TD-SCDMA芯片设计中的串扰分析
廖平 郑建宏
2010-03-23 00:00:00 来源:[重庆邮电学院学报]

摘要 集成电路进入了超深亚微米领域,金属层增加,线宽减小,使电路的性能和密度都得到了很大的提高,但也引入了愈来愈严重的互连线效应,并最终引发了信号完整性问题。在这其中,串扰噪声是一个关键的问题,论述了TD-SCDMA芯片设计中串扰噪声的成因及影响,介绍了串扰预防、分析和修复的一般方法。

关键词 串扰 信号完整性 超深亚微米 噪声

0、引言

  在超深亚微米工艺条件下,芯片设计在考虑时延的同时还要考虑到信号完整性。由信号完整性引起的逻辑和时序问题,常使芯片不能实现时序的正确收敛,或在测试过程中不能正常工作。信号具有良好的信号完整性是指信号在需要的时候具有所必达到的电压电平数值[1]。在影响信号完整性的诸因素之中,串扰是最常见也是最需迫切解决的问题之一。当2个或2个以上的布线路径存在一定距离并呈并行分布时,彼此之间就存在把脉冲从一个节点传到另一个节点的耦合电容,串扰由此而来。

  在超深亚微米工艺以前,串扰并没有被忽视,但是也没有通过分析来预防以及修复,一般都是在满足了时延要求之后手工修复的。在超深亚微米工艺时代,由于特征尺寸、线宽、间距等因素引起的串扰噪声越来越多,原来的方法已不能够完全解决串扰问题。伴随每一次新工艺出现的是金属线以及大量耦合电容的增加,同时由他们引起的串扰噪声也大幅度增加。

  随着每次超深亚微米新工艺技术的出现,特性尺寸、线宽和线间距都将进一步缩小,设计人员都想在裸片保持不变的情况下,把更多功能挤进片上系统中,这无疑将大大增加布线的复杂度,使得线路更加拥挤。由于金属阻抗与其宽度成反比,为追求更小的阻抗,金属线的厚度不断地增加,层数也不断增加,且金属线的长度比以往更长。这种趋势导致金属之间的交叉耦合电容增加。另外,由于芯片上叠加了更多的金属层,高金属层与基底层之间的距离加大,从而减小了对地的电容量,从而使金属线之间交叉耦合电容的比重不断上升,串扰效应对复杂数字电路的影响也越来越大。我们完全可以说,对于超深亚微米芯片设计,详尽的串扰分析和设计解决是整个设计流程不可或缺的一环。下面,我们就电容性串扰效应的成因、对信号完整性的影响、预防、分析和设计解决展开全面的论述。

1、串扰效应

  图1所示为信号网间串扰,电路包含了3个信号网(A,B,C),它们间通过电容C1,C2耦合。为便于说明,先定义“攻击”网(aggressor)和“受害”网(victim):由于自身的逻辑电平发生变化,通过电容耦合而对其他信号产生影响的信号网称为“攻击”网;受到影响而导致自身逻辑电平发生异常的信号网称为“受害”网。如果一个“攻击”网信号发生变化,可导致邻近的“受害”网瞬态呈现一个异常的逻辑值,该值即噪声。对于每个信号网来说,可能存在多个攻击信号网,电路分析时,如果将各个攻击网都考虑进去,则必然要消耗大量的时间和计算资源[2]。因此,通常串扰分析工具将各个攻击网的噪声峰值统加起来后,再应用到受害网(对受害网来说,这属于最坏情况)。

图1 信号网间的串扰

  当串扰产生的噪声传输到一个锁存器(触发器、寄存器)的输入,会引起逻辑的异常改变而导致逻辑运算出错。通过分析各个单元的噪声传输模型,可使必须要有额外间距的串扰敏感网络的数量减少。噪声传输模型在输入波形的基础上定义了输出波形的峰值与宽度,如果输入波形的峰值和宽度小于分析所确定的门限值,那么,噪声就无法通过该单元。依据攻击网和受害网的信号传输方向,串扰对时延的影响可分为2种:(1)2者传输方向相反,会导致受害网时延增加;(2)2者传输方向相同,会导致受害网时延减少。串扰对时序的影响,将导致高速芯片不能以最快速度工作。因为“受害”网的时序是通过门电路的时延、相互连接的延迟以及相邻网的状态决定的,因此,由串扰产生的时序问题微妙而复杂。每个周期都存在延迟,而不仅仅是互连引起的延迟,这些延迟的变化会造成时序无法收敛[3]

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