改进遗传算法在高速电路电源和信号完整性分析中的应用

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随着集成电路技术和系统级封装技术的飞速发展,高速数字电路的运行速率不断加快,集成度不断提高,数据通信吞吐量不断增大,由此产生的信号完整性(Signal Integrity,SI)、电源完整性(Power Integrity,PI)和电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)等问题也变得日益严重。如何在高速混合电路系统中有效抑制噪声传播的同时,还可以保证系统的SI和PI性能,成为目前亟待解决的问题。另外,由于电路设计和优化的不连续性和不可微分性,当代电路系统的复杂度让设计人员在设计及优化电路结构时耗费大量的时间和精力。研究智能优化设计方法与电磁学优化问题结合以协助电路设计变得更加有意义。本文中重点研究和分析如何利用改进遗传算法自动优化设计电磁带隙(Electromagnet Band Gap,EBG)结构和补偿结构来解决高速混合电路系统中的噪声抑制问题。主要的研究工作和创新点归纳如下:(1)对基本遗传算法(Genetic Algorithm,GA)进行改进,以改善遗传算法的收敛性能和精度。本文将精英个体保护机制、汉明距离初始化和非重复性交叉等三种改进方法有机融合到新的遗传算法中。经过验证,改进遗传算法具有收敛速度快、成功率高、精度高及计算稳定度高等优点。在此基础上,结合改进遗传算法和三维电磁仿真,提出了EBG结构和差分线补偿结构的自动优化设计方案并编译实现。(2)应用改进遗传算法自动优化“L”形桥EBG结构。使用改进遗传算法针对EBG结构中五个重要的参数进行优化,优化后的EBG结构在组成电源分配网络(Power Distribution Network,PDN)后,可以在0.38 GHz到20 GHz的频率范围内以-60 dB的抑制水平抑制同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise,SSN)在电源/地层中传播;同时,应用改进遗传算法自动设计一款新型蚀刻型EBG结构。其组成PDN后的SSN抑制范围为0.37 GHz至20 GHz,抑制水平为-50 dB。同时,建立蚀刻型EBG结构组成的PDN的等效电路模型并仿真出色散图,用以解释噪声抑制原理并预测出结构的低频截止频率。在使用改进遗传算法后,设计人员可以使用三维电磁仿真工具自动设计PDN结构,无需在构思EBG形状和优化参数值上重复调试,节约时间成本。在性能上,自动优化设计出的EBG结构也比人工调整要好。(3)应用改进遗传算法自动优化一种新型的补偿电感结构,嵌入直角弯曲差分线中以抑制差共模转换噪声。使用改进遗传算法针对补偿电感结构中六个重要的参数进行优化,使补偿电感结构在嵌入直角弯曲差分线后可以减少内外线之间的电感差,同时不占据额外的布线空间。加入补偿电感结构的直角弯曲差分线可以在DC到11 GHz的范围内以-20dB的抑制水平抑制差共模转换噪声。此外,通过提取补偿电感结构的等效电路模型,分析电路性能并指导结构设计;应用改进遗传算法自动设计一款新型缝隙结构,嵌入直角弯曲差分线中以抑制差共模转换噪声。在差分线中使用了自动设计结构后,其模式转换噪声抑制带宽为DC至15 GHz,抑制水平为-20 dB。同时,改进GA可将差模回波损耗和插入损耗降至最低,总体改善了直角弯曲差分线的信号完整性。通过眼图分析,使用自动设计结构后,差分线眼图表现良好。在时域分析中,内线和外线之间的共模噪声降低了75%,时间偏差降低78%。在上述研究中,采用单层或多层印刷电路工艺进行设计和加工样品电路,样品电路也分别在矢量网络分析仪上进行了测试。理论分析、仿真和测试结果相互吻合,验证了所提出的理论与技术。
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