《高速電路信號(hào)完整性》課程雙語(yǔ)實(shí)踐教學(xué)

曹群生

【摘要】通過(guò)近年來(lái)對(duì)電子、信息工程類(lèi)的研究生開(kāi)始的《高速電路信號(hào)完整性》課程的雙語(yǔ)教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了這些年在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)體會(huì)。我們認(rèn)為在研究生中開(kāi)設(shè)類(lèi)似的課程是非常有必要的。

【關(guān)鍵詞】課程 實(shí)踐教學(xué) 電子

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）02-0141-02

一、 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的電子、信息工程等傳統(tǒng)研究生教學(xué)領(lǐng)域面臨需要知識(shí)更新，理念完善等工作。在國(guó)外，有關(guān)電磁輻射的研究領(lǐng)域數(shù)十年前就受到重視，其課程“電磁兼容”早已面向教學(xué)，國(guó)內(nèi)也同樣開(kāi)設(shè)這些課程。但隨著信號(hào)頻率越來(lái)越高，電路中的很多原屬于“路”的問(wèn)題已經(jīng)演變?yōu)椤皥?chǎng)”的問(wèn)題，加速了對(duì)高速和非線(xiàn)性電路的理論研究。尤其是隨著集成電路IC設(shè)計(jì)和高速電路板設(shè)計(jì)的人才需求劇增，近年來(lái)在國(guó)外（如美國(guó)）的一些大學(xué)新增了相關(guān)的專(zhuān)業(yè)課《高速電路信號(hào)完整性》（簡(jiǎn)稱(chēng)SI課程），以滿(mǎn)足電子行業(yè)IT企業(yè)對(duì)高速電路方面工程師的需要，出版一批專(zhuān)著，如參考文獻(xiàn)。

另外在高校教學(xué)改革中，一方面可直接通過(guò)合作辦學(xué)的方式引進(jìn)國(guó)外的教材和先進(jìn)的教學(xué)理念，也可由國(guó)外教授來(lái)進(jìn)行課堂教學(xué)，以加快彌補(bǔ)不足；另一方面可對(duì)已有課程的設(shè)置進(jìn)行革新，通過(guò)市場(chǎng)化專(zhuān)業(yè)設(shè)置來(lái)配置教學(xué)資源，應(yīng)用先進(jìn)的教學(xué)手段，生動(dòng)靈活進(jìn)行教學(xué)。近年來(lái)南京航空航天大學(xué)電子信息學(xué)院（簡(jiǎn)稱(chēng)電子學(xué)院）結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展，與國(guó)外大學(xué)在射頻技術(shù)、無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸，特別是電路板中的高速信號(hào)傳輸研究和SI課程的教學(xué)有著深入合作。本文意在通過(guò)討論信號(hào)完整性課程建設(shè)的認(rèn)知過(guò)程，介紹從傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和眾多的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)如何過(guò)渡到信號(hào)SI課程體系的過(guò)程，也介紹如何運(yùn)用已有的計(jì)算程序作為實(shí)驗(yàn)課的一部分來(lái)建立仿真系統(tǒng)。這些為集成電路IC和高速電路板設(shè)計(jì)技術(shù)的課程改革進(jìn)行了有益的嘗試。

二、 信號(hào)完整性課程的引入

南航大學(xué)的電子學(xué)院研究生主要有電子與通信工程專(zhuān)業(yè)，研究方向涉及電磁場(chǎng)與微波、電路系統(tǒng)、集成電路和通信工程等，研究生畢業(yè)后有相當(dāng)一部分去研究所、公司從事開(kāi)設(shè)研發(fā)工作，會(huì)參與相關(guān)的高速電路的設(shè)計(jì)研發(fā)工作，有的直接從事高速電路板的研發(fā)工作，這些都涉及有關(guān)信號(hào)完整性的理論知識(shí)。因此針對(duì)高速電路（高速芯片）技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)研究生未來(lái)對(duì)新技術(shù)的需求，我們開(kāi)設(shè)了《高速電路的信號(hào)完整性》課程。該課程面向電子與通信工程專(zhuān)業(yè)（主要是電子工程專(zhuān)業(yè)）研究生開(kāi)設(shè)，目的主要是通過(guò)實(shí)踐教學(xué)的加大信號(hào)完整性討論篇幅來(lái)要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信號(hào)完整性概念理解，提高學(xué)生對(duì)高速電路以及微波電路中信號(hào)傳輸完整性的理論學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)課堂教學(xué)采用雙語(yǔ)教學(xué)，（若有留學(xué)生選課時(shí)則完全采用英語(yǔ)教學(xué)），這樣在使用最新國(guó)外教程的學(xué)習(xí)過(guò)程中提高了英文專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)的閱讀能力，可謂一舉兩得。這些年國(guó)外陸續(xù)出版了“信號(hào)完整性”的著作，側(cè)重點(diǎn)各不相同。我們?cè)谕瑖?guó)外大學(xué)進(jìn)行學(xué)術(shù)交往的過(guò)程中，和國(guó)外的教授們對(duì)選擇何種教材進(jìn)行了交流，并結(jié)合我們自身的實(shí)際情況，確定了相關(guān)的教材和參考書(shū)。另外國(guó)外教授也為我們提供了有參考價(jià)值的教學(xué)課件，使得我們很快就能夠?yàn)槲覀兊难芯可_(kāi)設(shè)課程。我們認(rèn)為對(duì)類(lèi)似的涉及新技術(shù)課程，如果能夠有條件和先進(jìn)國(guó)家的大學(xué)進(jìn)行實(shí)質(zhì)交流，可以較好和較快地在國(guó)內(nèi)高校開(kāi)始這方面課程的建設(shè)。

三、 SI課程的教學(xué)

由于SI課程涉及到高速芯片、總線(xiàn)、傳輸線(xiàn)、器件測(cè)量、電磁輻射和傳播等知識(shí)，課程體系貫穿“場(chǎng)”“路”的體系，并采用時(shí)-頻域分析方法，以及眾多的概念（如過(guò)孔、串?dāng)_、電磁干擾EMI、回路、阻抗匹配等）。因此我們有意識(shí)地在基本問(wèn)題方面引入完整性的問(wèn)題。如從電尺寸大小的纜線(xiàn)概念過(guò)渡到高速電路形成，從信號(hào)上升沿時(shí)間大小引入時(shí)域表述信號(hào)等。另外我們也在課堂上強(qiáng)調(diào)信號(hào)完整性的提出是隨著高速芯片技術(shù)發(fā)展而提出的，在高速的傳輸信號(hào)中，傳統(tǒng)電路分析的連續(xù)性將失效，封裝和互連對(duì)于信號(hào)不再是連續(xù)，會(huì)伴隨寄生效應(yīng)的產(chǎn)生。當(dāng)信號(hào)沿互聯(lián)-負(fù)載線(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，都會(huì)感受到瞬態(tài)阻抗、導(dǎo)納、電感和電容的作用。任何長(zhǎng)度和形狀的信號(hào)路徑和返回路徑，構(gòu)成一個(gè)回路。由于引入時(shí)域分析方法，所以當(dāng)方波信號(hào)的上升和下降時(shí)，在時(shí)域波形中都會(huì)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，這就是所謂“振鈴”效應(yīng)。同時(shí)由一個(gè)由信號(hào)路徑和返回路徑構(gòu)成的傳輸線(xiàn)回路，在討論信號(hào)傳輸路徑上遇到不連續(xù)時(shí)，反射效應(yīng)出現(xiàn)，這就引出TDR時(shí)域測(cè)量方法。另外在信號(hào)完整性分析中，“接地”概念發(fā)生了本質(zhì)的改變，通常和信號(hào)路徑一起構(gòu)成返回路徑。當(dāng)流經(jīng)接地回路等效電感上的電流發(fā)生變化時(shí)，在返回路傳輸線(xiàn)上會(huì)產(chǎn)生“地彈”電壓。這是開(kāi)關(guān)噪聲和EMI的內(nèi)部機(jī)理。因此，信號(hào)在高速電路的傳輸時(shí)產(chǎn)生許多在低頻（低速）電路中所忽略的物理現(xiàn)象，這也就是SI課程所帶來(lái)的新的內(nèi)容。

四、 SI課程的軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)

作為一門(mén)實(shí)驗(yàn)課程占有相當(dāng)比例的課程，SI課程的教學(xué)內(nèi)容分為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分。理論教學(xué)部分是將基本的、重要的概念、原理、方法在有限的課時(shí)教學(xué)中教授給學(xué)生。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)也是學(xué)習(xí)和驗(yàn)證SI課程的重要內(nèi)容。在課堂上介紹Intel提出的IBIS（I/O Buffer Information Specification）的概念和簡(jiǎn)單的邏輯編程。在實(shí)驗(yàn)室里可選取適當(dāng)?shù)能浖ㄈ鏑adence）進(jìn)行軟件仿真。對(duì)高速PCB的信號(hào)線(xiàn)能夠根據(jù)疊層的排序，PCB的介電常數(shù)，介質(zhì)的厚度，信號(hào)層所處的位置以及線(xiàn)寬等等來(lái)判斷某一PCB線(xiàn)條是否屬于微帶線(xiàn)，帶狀線(xiàn)，寬帶耦合帶狀線(xiàn)，并且根據(jù)不同的計(jì)算公式自動(dòng)計(jì)算出信號(hào)線(xiàn)的阻抗以及信號(hào)的反射、串繞、電磁干擾等等， 對(duì)布線(xiàn)進(jìn)行約束以保證PCB的信號(hào)完整性。通過(guò)典型電路的仿真來(lái)加強(qiáng)認(rèn)識(shí)。典型的可以分為傳輸線(xiàn)仿真（主要討論平行傳輸線(xiàn)上仿真終端阻抗對(duì)信號(hào)的影響）、串?dāng)_仿真（主要討論共模和差模電流的對(duì)串?dāng)_的影響）、電源去耦電容作用（主要討論去耦電容接入電路中的位置和容量大小對(duì)信號(hào)影響）、過(guò)孔對(duì)信號(hào)的影響等）。

另外也給研究生通過(guò)“場(chǎng)仿真”來(lái)加深對(duì)SI課程的理解，作為課后的仿真計(jì)算的要求，要求使用場(chǎng)求解器（如HFSS）來(lái)模擬傳輸線(xiàn)穿過(guò)不同介質(zhì)板的過(guò)孔時(shí)在其周?chē)a(chǎn)生場(chǎng)的分布，并要求以變化的場(chǎng)來(lái)表現(xiàn)過(guò)孔大小、尺寸以及介質(zhì)參數(shù)的影響。通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，使得學(xué)生們能夠深入理解SI概念和如何減小SI的影響。

五、 SI課程更新和最新研究的結(jié)合

SI課程是不斷更新和發(fā)展的新興技術(shù)，有必要在課堂將最新的研究進(jìn)展介紹給學(xué)生。如當(dāng)介紹到時(shí)域反射法（TDR）和時(shí)域傳播法（TDT）方法時(shí)，除了給出基本原理和一般應(yīng)用以為，我們還特別選擇幾篇國(guó)際權(quán)威期刊（Nature和Applied Physics）上發(fā)表的用來(lái)分析磁性材料的高水平研究論文，給學(xué)生展示了如何使用基本的測(cè)試方法，同時(shí)還開(kāi)闊他們的研究視野。論文在理論教學(xué)基礎(chǔ)上，我們有目的介紹課題組近年來(lái)在降低傳輸線(xiàn)串?dāng)_、保護(hù)線(xiàn)設(shè)計(jì)、電源分配，以及三維IC設(shè)計(jì)的硅通孔等研究工作，將實(shí)踐性教學(xué)與啟發(fā)式教學(xué)相結(jié)合。

六、 結(jié)論

通過(guò)近年來(lái)開(kāi)設(shè)SI課程的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，使SI課程以開(kāi)放式、研究式形成貫穿始終，鼓勵(lì)學(xué)生總結(jié)歸納所學(xué)內(nèi)容，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，最后以論文形式來(lái)總結(jié)。這些措施促進(jìn)了學(xué)生的積極性和提高了學(xué)習(xí)的熱情，增強(qiáng)了對(duì)將來(lái)作為SI工程師的理解和從事高速電路設(shè)計(jì)等工作的興趣和信心。我們認(rèn)為研究生的SI課程雙語(yǔ)教學(xué)，通過(guò)強(qiáng)化對(duì)SI新技術(shù)的學(xué)習(xí)，通過(guò)對(duì)教學(xué)手段、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等多方面的不斷地探索，通過(guò)跟蹤新的技術(shù)發(fā)展，最終使學(xué)生掌握SI的新技術(shù)，為提高SI課程的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量提供借鑒。