王志功电路与电子线路基础电路部分电子教案第章省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月241 1电路与电子线路基础Fundamental Electric and Electronic Circuits第第12章章 互连线与传输线互连线与传输线 王志功 东南大学射频与光电集成电路研究所http:/ 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月242 2第第12章互连线与传输线章互连线与传输线 n互连线互连线 n分布元件与传输线分布元件与传输线 n均匀传输线方程均匀传输线方程 n均匀传输线方程正弦稳态解均匀传输线方程正弦稳态解
2、n均匀传输线原参数和副参数均匀传输线原参数和副参数 n无损耗传输线无损耗传输线 n无损耗线方程通解无损耗线方程通解 n无损耗线波过程无损耗线波过程 n实际传输线实际传输线 第第2页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月243 3互连线意义互连线意义l依据2.1节中线网定义,互联线就是电路元件之间联接线,是电路一个主要组成部分。l但过去,互联线长久被忽略,未看成电路主要组成部分来对待。在分析计算时基本上不予考虑。当然,这么做也无可非议,因那时所包括电路非常简单,规模不大。l然而,人们已注意到,在电力传输与配电系统中,尽管电路不甚复
3、杂,但因线路长,有严重电压降,不得不考虑互联线问题。l在电信系统中问题愈加严重。比如电话线路,每个用户都占有一对线,用户线路(Local line)是不能共享。线路又多又长。第第3页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月244 41884年美国纽约市繁荣街道上空架设电话线年美国纽约市繁荣街道上空架设电话线左图是1884年美国纽约市繁荣街道上空,架设电话线实际照片。庞大“蜘蛛网”充满了纽约市主要街道上空,严重地损害了市容,而且又与众多电力线路交织在一起,带来了安全问题。这就迫使政府制订法律,要求在一年内将全部电灯线和电话线移到地下
4、。这是人类第一次感到有必要认真对付线网问题。第第4页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月245 5线网问题线网问题n显然,互联线必须认真整理、编号、归类、合理布局和布线,有效地利用有限空间。n其次,又因线路即长又多又密,必定造成信号衰减损耗、带宽限制、波形失真、相互干扰串话等严重地影响信号传输和整个系统品质,这说明了线网问题是不简单。第第5页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月246 6举例:家庭智能布线第第6页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光
5、 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月247 7电路元件间互连电路元件间互连l早期电子装置,电路简单,联线又短,普通无需考虑联线问题。伴随电子系统复杂性增加,联线问题开始突出。四十年代电子管产品已经感觉到联接线不有计划地编号编颜色,不把它们编扎起来,就无法生产,无法维修、检验和测试。l进入晶体管时代后,电路元件间互连被约束在铜箔板表面上。人们发觉,不是全部电路都能够布在一个平面上。下列图指出,在一个平面上把四个点全部联接起来是可行。然而,想把5个点全部联接已是不可能,总有一条线无法导通。第第7页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研
6、研 究究 所所106月248 8 3个信号分别加到三个个信号分别加到三个3个端点情形个端点情形 l左图是将3个信号分别加到三个含有3个端点器件(比如,晶体管)上去。这么,共有9条联线需要连通,其网表以下:l1=(E1,D1a);l2=(E1,D2a)l3=(E1,D3a);l4=(E2,D1b)l5=(E2,D2b);l6=(E2,D3b)l7=(E3,D1c);l8=(E3,D2c)l9=(E3,D3c)l不难发觉,l5无法非跨越连通。第第8页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月249 9跳线与多层印刷电路板跳线与多层印刷电
7、路板l不论人们怎样努力,总有一条线无路可走。看来,在一个平面上要连通全部联接线不是那么轻易。要想全部连通,只能依靠跳线(jumper wire),从另一平面内取得连通。l这就是为何在全部收录机或电视机印刷电路板上几乎都有若干跳线原因。l在一些较复杂电子仪器设备中往往采取双面铜箔板,免去了跳线之烦。l对于计算机这类电子产品除了布线联通问题外,还有布线容量问题。在有限表面上挤不下如此众多布线,况且还有许多其它电气性能要求,故普通采取多层印刷电路板(PCB,Printed Circuit Board),起码四层,多甚至到达64层。第第9页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集
8、成成 电电 路路 研研 究究 所所106月241010集成电路内部线网问题集成电路内部线网问题l在集成电路内部,线网问题尤为严重。l当前,不少芯片含有上亿个晶体管,联接线条数也是亿级。要在一个小小硅片上挤上亿条联线确实是一个难题。况且在硅片上允许联线层数是受工艺过程限制,不可能任意添加。l早期集成电路普通用两层金属联线,最新工艺到达610层联线。故线网联接是一个非常主要课题。第第10页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月241111底板底板/背板背板l计算机实际上是一个最具代表性电子产品。一个小小计算机实际上含有上千万个元件。
9、l一个大型机、超级机往往装有几十亿个元件。这么多电子元件相互联接在一起主要是依靠层次联接方法。最大量联接线实际上是在硅片上实现,还有许许多多联线是在多层PCB上实现,还有不少联线是在底板(Backplane)上实施。l小小微机无需庞大底板,因而底板上连接没有引发人们注意。然而庞大程控交换机,底板上连接颇受人们注意。超级机底板连接将使人们大开眼界其复杂程度远远超出当年纽约上空“蜘蛛网”。第第11页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月241212底板/背板示例第第12页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集
10、成成 电电 路路 研研 究究 所所106月241313新技术新技术为了处理联接线问题,人们已经开发了一些新技术,比如=MCM(Multichip Module)多芯片组件,=支撑面集成技术(Backplane integrated),=FPIC(Field Programmable interconnect component)可编程互连元件。第第13页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月241414光互连技术l为了处理Gbps超高速数据互联,人们开始采取光互连技术。l总之,线网问题已成为电路工程中最主要课题之一。第第14页页
11、东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月241515互连线版图设计互连线版图设计l互连线是各种分立和集成电路基本元件。可能不少人对于这一概念不是尤其明确。实际上,互连线版图设计是集成电路设计中基本任务,在利用门阵列设计电路中甚至是唯一任务。l在混合集成电路和单片集成电路衬底上,互连线大多形式上是金属薄层形成条带。不一样衬底上电路互连可能用到金属裸线或电缆。第第15页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月241616PCB上互连线第第16页页东东 南南 大大 学学 射射
12、 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月241717IC版图:元件与互连线第第17页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月241818互连线设计应该注意问题互连线设计应该注意问题1)为降低信号或电源引发损耗以及为了降低芯片面积,连线应该尽可能短。实际上,版图设计中只要对那些传输高频信号关键互连线按最小长度布线就能够了。2)为了提升集成度,在传输电流非常微弱时(如MOS栅极),大多数互连线应以制造工艺提供最小宽度来布线。3)在连接线要传输大电流时,比如,用于接地和提供电源互连线,应预计其电流容量并
13、保留足够裕量。第第18页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月24互连线设计应该注意问题互连线设计应该注意问题(续续)4)制造工艺提供多层金属能有效地提升集成度。5)在微波和毫米波范围,应注意互连线趋肤效应和寄生参数。假如可能,为了更易建模和分析,可使用传输线结构。6)在一些情况下,可有目标地利用互连线寄生效应。比如,传导电阻可用来实现低值电阻。两条或共面或上下平行互连线间电容可用作微波或毫米波信号旁路电容。1919第第19页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月
14、242020互连线模型互连线模型lCMOS工艺发展到深亚微米阶段后,互连线延迟已超出逻辑门延迟成为时序分析主要组成部分。这时,应采取链状RC网络、RLC网络或传输线来模拟互连线。为了确保模型准确度和信号完整性,需要对互连线版图结构加以约束和规整。l模型是客观实体抽象表示。线网模型是实际互连线一些基本行为抽象表示。线网模型确实定通常取决于三个原因:=联接拓扑。=连接线几何和物理属性,包含尺寸、形状、位置与环境,以及材料电气特征。这些是填在网表属性一栏里。=对模型要求,假如仅仅分析电路功效,能够忽略线网行为对电路性能响应,模型就能够简单。若需模拟或验证电路性能,就不能忽略线网行为对电路性能影响,必
15、须有准确模型。第第20页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月242121零级模型零级模型 l零级模型是仅考虑联接拓扑,把联接线看成短路线,不考虑几何形状和物理参数,也即不考虑线网属性情况下确定模型。举例:对线网必有(12.1)l从上图能够看出,一条短路线将两个端点联接起来,必定含有式(12.1)所描述特征。第第21页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月242222四个端点线网四个端点线网 l用短路线将端点a、b、c、d全部联接起来,故必有l因为是短路线,在该线
16、网上电位处处相等,并等于端点电位。又因端点a、b、c、d均是元件端点,流出流进各元件电流均聚集在线网上。线网只是短路导线不可能存放电荷,故流出流进线网电流代数和必定为0。其实,这是基尔霍夫定律KVL和KCL一个表示形式。第第22页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月242323一级模型一级模型 l一级模型是认可联接线含有电阻,不是短路线。l电阻值大小取决于联接线几何形状、尺寸、物理参数和电流流向。这些参数可从网表属性一栏中取得。当然,这些电阻是分布在整个线网上,为了计算方便,把它看成集中参数。l因而,对线网l(a,b),有电阻
17、r,则(12.3)第第23页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月242424线网一级模型(电阻网络)线网一级模型(电阻网络)对线网l(a、b、c、d),在计及电阻时,尚需补充两个内部节点x和y,分解成5个集中电阻,见右下列图所表示。显然,该线网模型将由一组方程式来描述。第第24页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月242525二级模型(阻容链接网络)二级模型(阻容链接网络)l互联线二级模型不但需要考虑线网电阻,还需考虑对地分布电容影响。这时,互联线能够用下列图
18、所表示RC分布网络来模型。其寄生电阻和电容可隶属性一栏中提供基本几何和物理参数经过计算取得。第第25页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月242626三级模型(三级模型(RLCG链接网络)链接网络)l到了射频和长度很大时,金属导线本身电感L和它们之间互感耦合M不可忽略,再考虑到导线之间漏电导G影响,它们就含有了真实“传输线”(TL:transmission line)特征。第第26页页东东 南南 大大 学学 射射 频频 与与 光光 电电 集集 成成 电电 路路 研研 究究 所所106月242727传输线与分布元件传输线与分布元
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