《高速电路信号完整性》课程双语实践教学

曹群生

【摘要】通过近年来对电子、信息工程类的研究生开始的《高速电路信号完整性》课程的双语教学实践，总结了这些年在课堂教学和实验经验体会。我们认为在研究生中开设类似的课程是非常有必要的。

【关键词】课程 实践教学 电子

【中图分类号】G642.3 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）02-0141-02

一、 前言

随着科学技术的发展，无线电技术的电子、信息工程等传统研究生教学领域面临需要知识更新，理念完善等工作。在国外，有关电磁辐射的研究领域数十年前就受到重视，其课程“电磁兼容”早已面向教学，国内也同样开设这些课程。但随着信号频率越来越高，电路中的很多原属于“路”的问题已经演变为“场”的问题，加速了对高速和非线性电路的理论研究。尤其是随着集成电路IC设计和高速电路板设计的人才需求剧增，近年来在国外（如美国）的一些大学新增了相关的专业课《高速电路信号完整性》（简称SI课程），以满足电子行业IT企业对高速电路方面工程师的需要，出版一批专著，如参考文献。

另外在高校教学改革中，一方面可直接通过合作办学的方式引进国外的教材和先进的教学理念，也可由国外教授来进行课堂教学，以加快弥补不足；另一方面可对已有课程的设置进行革新，通过市场化专业设置来配置教学资源，应用先进的教学手段，生动灵活进行教学。近年来南京航空航天大学电子信息学院（简称电子学院）结合现代技术发展，与国外大学在射频技术、无线信号传输，特别是电路板中的高速信号传输研究和SI课程的教学有着深入合作。本文意在通过讨论信号完整性课程建设的认知过程，介绍从传统的课堂教学和众多的数学公式推导如何过渡到信号SI课程体系的过程，也介绍如何运用已有的计算程序作为实验课的一部分来建立仿真系统。这些为集成电路IC和高速电路板设计技术的课程改革进行了有益的尝试。

二、 信号完整性课程的引入

南航大学的电子学院研究生主要有电子与通信工程专业，研究方向涉及电磁场与微波、电路系统、集成电路和通信工程等，研究生毕业后有相当一部分去研究所、公司从事开设研发工作，会参与相关的高速电路的设计研发工作，有的直接从事高速电路板的研发工作，这些都涉及有关信号完整性的理论知识。因此针对高速电路（高速芯片）技术的发展，针对研究生未来对新技术的需求，我们开设了《高速电路的信号完整性》课程。该课程面向电子与通信工程专业（主要是电子工程专业）研究生开设，目的主要是通过实践教学的加大信号完整性讨论篇幅来要培养学生对信号完整性概念理解，提高学生对高速电路以及微波电路中信号传输完整性的理论学习兴趣。同时课堂教学采用双语教学，（若有留学生选课时则完全采用英语教学），这样在使用最新国外教程的学习过程中提高了英文专业文献的阅读能力，可谓一举两得。这些年国外陆续出版了“信号完整性”的著作，侧重点各不相同。我们在同国外大学进行学术交往的过程中，和国外的教授们对选择何种教材进行了交流，并结合我们自身的实际情况，确定了相关的教材和参考书。另外国外教授也为我们提供了有参考价值的教学课件，使得我们很快就能够为我们的研究生开设课程。我们认为对类似的涉及新技术课程，如果能够有条件和先进国家的大学进行实质交流，可以较好和较快地在国内高校开始这方面课程的建设。

三、 SI课程的教学

由于SI课程涉及到高速芯片、总线、傳输线、器件测量、电磁辐射和传播等知识，课程体系贯穿“场”“路”的体系，并采用时-频域分析方法，以及众多的概念（如过孔、串扰、电磁干扰EMI、回路、阻抗匹配等）。因此我们有意识地在基本问题方面引入完整性的问题。如从电尺寸大小的缆线概念过渡到高速电路形成，从信号上升沿时间大小引入时域表述信号等。另外我们也在课堂上强调信号完整性的提出是随着高速芯片技术发展而提出的，在高速的传输信号中，传统电路分析的连续性将失效，封装和互连对于信号不再是连续，会伴随寄生效应的产生。当信号沿互联-负载线运动过程中，都会感受到瞬态阻抗、导纳、电感和电容的作用。任何长度和形状的信号路径和返回路径，构成一个回路。由于引入时域分析方法，所以当方波信号的上升和下降时，在时域波形中都会出现震荡现象，这就是所谓“振铃”效应。同时由一个由信号路径和返回路径构成的传输线回路，在讨论信号传输路径上遇到不连续时，反射效应出现，这就引出TDR时域测量方法。另外在信号完整性分析中，“接地”概念发生了本质的改变，通常和信号路径一起构成返回路径。当流经接地回路等效电感上的电流发生变化时，在返回路传输线上会产生“地弹”电压。这是开关噪声和EMI的内部机理。因此，信号在高速电路的传输时产生许多在低频（低速）电路中所忽略的物理现象，这也就是SI课程所带来的新的内容。

四、 SI课程的软件实验教学

作为一门实验课程占有相当比例的课程，SI课程的教学内容分为理论教学和实验教学两部分。理论教学部分是将基本的、重要的概念、原理、方法在有限的课时教学中教授给学生。在此基础上运用软件进行仿真实验也是学习和验证SI课程的重要内容。在课堂上介绍Intel提出的IBIS（I/O Buffer Information Specification）的概念和简单的逻辑编程。在实验室里可选取适当的软件（如Cadence）进行软件仿真。对高速PCB的信号线能够根据叠层的排序，PCB的介电常数，介质的厚度，信号层所处的位置以及线宽等等来判断某一PCB线条是否属于微带线，带状线，宽带耦合带状线，并且根据不同的计算公式自动计算出信号线的阻抗以及信号的反射、串绕、电磁干扰等等， 对布线进行约束以保证PCB的信号完整性。通过典型电路的仿真来加强认识。典型的可以分为传输线仿真（主要讨论平行传输线上仿真终端阻抗对信号的影响）、串扰仿真（主要讨论共模和差模电流的对串扰的影响）、电源去耦电容作用（主要讨论去耦电容接入电路中的位置和容量大小对信号影响）、过孔对信号的影响等）。

另外也给研究生通过“场仿真”来加深对SI课程的理解，作为课后的仿真计算的要求，要求使用场求解器（如HFSS）来模拟传输线穿过不同介质板的过孔时在其周围所产生场的分布，并要求以变化的场来表现过孔大小、尺寸以及介质参数的影响。通过系列实验训练，使得学生们能够深入理解SI概念和如何减小SI的影响。

五、 SI课程更新和最新研究的结合

SI课程是不断更新和发展的新兴技术，有必要在课堂将最新的研究进展介绍给学生。如当介绍到时域反射法（TDR）和时域传播法（TDT）方法时，除了给出基本原理和一般应用以为，我们还特别选择几篇国际权威期刊（Nature和Applied Physics）上发表的用来分析磁性材料的高水平研究论文，给学生展示了如何使用基本的测试方法，同时还开阔他们的研究视野。论文在理论教学基础上，我们有目的介绍课题组近年来在降低传输线串扰、保护线设计、电源分配，以及三维IC设计的硅通孔等研究工作，将实践性教学与启发式教学相结合。

六、 结论

通过近年来开设SI课程的教学、实验的结合，使SI课程以开放式、研究式形成贯穿始终，鼓励学生总结归纳所学内容，经过一段时间的学习和实验，最后以论文形式来总结。这些措施促进了学生的积极性和提高了学习的热情，增强了对将来作为SI工程师的理解和从事高速电路设计等工作的兴趣和信心。我们认为研究生的SI课程双语教学，通过强化对SI新技术的学习，通过对教学手段、教学方法和实验环节等多方面的不断地探索，通过跟踪新的技术发展，最终使学生掌握SI的新技术，为提高SI课程的教学水平和教学质量提供借鉴。