集成電路中的噪聲抑制與信號完整性保障技術(shù)研究

摘要：文章聚焦于集成電路中的單點接地技術(shù)在噪聲抑制與信號完整性保障方面的應(yīng)用。詳細(xì)闡述了從確定公共接地點、連接電路元件到公共接地點以及檢查接地回路的流程，分析了單點接地技術(shù)在抑制噪聲和保障信號完整性方面的有效性。實驗結(jié)果表明，采用該技術(shù)后，信號的上升時間和下降時間明顯縮短，信號更加平滑地傳輸，信號完整性得到提高，可以為集成電路設(shè)計提供針對性的技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：集成電路；噪聲抑制；信號完整性；保障技術(shù)

中圖分類號：TU71 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）06-0123-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

在當(dāng)今高度集成化的電子時代，集成電路宛如電子設(shè)備的心臟，在智能手機、計算機、智能家電以及航空航天等各類領(lǐng)域的電子設(shè)備中都發(fā)揮著無可替代的核心作用[1]。集成電路的高效運行是確保設(shè)備正常工作以及實現(xiàn)復(fù)雜功能的關(guān)鍵。然而，集成電路在運行過程中面臨著一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)——噪聲干擾。這些噪聲猶如潛伏在電路中的隱形敵人，嚴(yán)重影響了信號的完整性，且噪聲來源多樣，部分源于物理機制[2-3]。

噪聲可能源于熱運動、粒子的離散性等物理機制，這些機制會導(dǎo)致信號出現(xiàn)失真、延遲以及不同信號間的串?dāng)_等不良影響。這些問題不僅降低了集成電路的性能，甚至可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的故障。保障技術(shù)，是指為確保特定系統(tǒng)（如軍事裝備系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等）穩(wěn)定、可靠運行，在預(yù)防故障、快速檢測故障、有效修復(fù)故障以及維持系統(tǒng)性能等方面所采用的一系列技術(shù)手段。

因此，本文研究了集成電路中的噪聲抑制與信號完整性保障技術(shù)。通過采取單點接地技術(shù)措施來抑制噪聲和保障信號完整性，極大地提高了集成電路的質(zhì)量與可靠性，滿足了現(xiàn)代電子設(shè)備對高性能和高穩(wěn)定性的需求。

1集成電路中的單點接地技術(shù)要點

確定合理的公共接地點可以有效避免不同接地點之間形成地環(huán)路。地環(huán)路會在其中產(chǎn)生電流，由于周圍磁場變化等因素而引入噪聲[4-5]。而單點接地（通過確定公共接地點實現(xiàn)）可有效破壞地環(huán)路形成的條件，降低噪聲對集成電路的影響，保障信號完整性。

1.1確定公共接地點

觀察集成電路版圖并劃分功能模塊，如數(shù)字模塊、模擬模塊、電源模塊等。假設(shè)一個集成電路中包含一個數(shù)字處理單元（面積約為2mm×2mm）、一個模擬放大器（面積約為1.5mm×1.5mm）和一個電源管理模塊（面積約為1mm×1mm），統(tǒng)計每個模塊中關(guān)鍵信號的數(shù)量和類型，以及對噪聲的敏感程度，如表1 所示。

數(shù)字處理單元中有高速時鐘信號和數(shù)據(jù)信號，對高頻噪聲較敏感；模擬放大器對低頻噪聲和電源噪聲敏感，通過對電路模塊的劃分和對各模塊信號及噪聲特性的分析，能夠明確整個集成電路中噪聲產(chǎn)生和敏感的區(qū)域分布，為選擇合適的公共接地點提供依據(jù)。確定主要信號的傳輸路徑，從信號源到信號接收端。

沿著信號流向，標(biāo)記出可能產(chǎn)生噪聲的區(qū)域和對噪聲敏感的區(qū)域，模擬放大器和數(shù)字處理單元之間的接口區(qū)域因為信號轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生噪聲，而模擬放大器的輸入級對噪聲最為敏感。根據(jù)前面分析的電路模塊分布和信號流向，找到一個相對處于各個模塊幾何中心的位置。假設(shè)數(shù)字處理單元中心坐標(biāo)為（10mm，10mm），模擬放大器中心坐標(biāo)為（8mm，8mm），電源管理模塊中心坐標(biāo)為（6mm，6mm），則公共接地點的初步坐標(biāo)可以選擇為（8mm，8mm）左右。用幾何中心坐標(biāo)公式，假設(shè)集成電路中有n 個模塊，第i 個模塊的中心坐標(biāo)為（x ） _i，y_i ，則公共接地點的初步X 坐標(biāo)如式（1）所示：

通過這個公式可以快速計算出一個大致的中心位置，作為選擇公共接地點的參考。在上述例子中，根據(jù)公式計算出的初步位置能夠使公共接地點在空間上相對均衡地分布在各個電路模塊之間，減少了某些模塊因為距離接地點過遠(yuǎn)而導(dǎo)致的地電位升高和噪聲耦合問題。

同時，要考慮這個位置周圍的干擾情況。避免選擇靠近高頻時鐘信號走線、大電流電源走線或者其他強干擾源的位置。如果在初步選定的位置附近（半徑1mm范圍內(nèi)）存在一條寬度為0.5mm的高頻時鐘走線（時鐘頻率為500MHz），則需要將公共接地點位置稍微偏移，遠(yuǎn)離這條走線，用距離公式，設(shè)兩個點的坐標(biāo)分別為（x₁，y₁）和（x₂，y₂），則兩點之間的距離d如式（3）所示：

在確定公共接地點位置時，如果發(fā)現(xiàn)初步選定的位置附近存在干擾源（如高頻走線等），可以使用這個公式計算干擾源與初步選定位置之間的距離。當(dāng)計算出初步位置與高頻時鐘走線的距離小于一定閾值（如1mm）時，可以判斷該位置可能受到較大干擾，需要進行調(diào)整。

1.2連接電路元件到公共接地點

對于一般的集成電路，通常選擇寬度為0.2mm～0.5mm的金屬走線作為接地導(dǎo)線，這是基于常見集成電路制造工藝中，該寬度的金屬走線在一定長度范圍內(nèi)能提供相對較低的阻抗。對于關(guān)鍵的低噪聲元件，如高精度模擬放大器的輸入級，需要優(yōu)先連接到公共接地點，低噪聲放大器的具體連接情況，如圖1所示。

低噪聲放大器（LNA）的連接結(jié)構(gòu)主要包括兩個部分：輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，它們分別連接到放大器的兩端。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)位于圖像左側(cè)，與放大器相連，其功能是確保信號能夠有效地從放大器傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備或電路中。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)位于圖像右側(cè)，同樣與放大器相連，確保信號能夠從外部設(shè)備或電路有效地傳輸?shù)椒糯笃髦小?/p>

放大器是整個結(jié)構(gòu)的中心部分，負(fù)責(zé)接收來自輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的信號，放大該信號，并將其通過輸出匹配網(wǎng)絡(luò)傳輸出去，以增強信號的功率。假設(shè)該放大器的輸入級距離公共接地點的直線距離為1mm，使用0.3mm寬的金屬走線進行連接。在連接過程中，需確保其他大電流元件的接地導(dǎo)線與關(guān)鍵元件的接地路徑不交叉。具體來說，一個大電流數(shù)字模塊的接地導(dǎo)線與高精度模擬放大器輸入級的接地導(dǎo)線之間應(yīng)保持至少0.5mm的距離（根據(jù)經(jīng)驗和設(shè)計規(guī)范）。

使用專業(yè)的電路檢測工具，對每個元件的接地連接進行電阻測試。要求每個接地連接的電阻值小于0.1Ω，通過測試確保所有元件的接地連接都滿足此要求。

1.3檢查接地回路

使用HSPICE 軟件對單點接地集成電路進行仿真，在軟件中設(shè)置好電路的各個元件參數(shù)、接地方式以及信號源等相關(guān)參數(shù)，設(shè)定信號源為一個頻率從10kHz～100MHz變化的正弦波信號，幅度為1V，負(fù)載電阻為100Ω，接地導(dǎo)線電阻根據(jù)前面步驟計算出的值（假設(shè)為0.05Ω）進行設(shè)置。

在仿真軟件中查看接地電流的分布情況以及各個節(jié)點的電位，重點關(guān)注是否存在意外的接地環(huán)路。如果在某個頻率（如50MHz）下，發(fā)現(xiàn)有兩個接地路徑之間形成了一個面積約為0.1mm2的閉環(huán)電流路徑，這可能就是一個潛在的接地環(huán)路問題。當(dāng)發(fā)現(xiàn)潛在接地環(huán)路時，使用公式（4）來計算接地環(huán)路電感L：

式中，μ₀ = 4π × 10^-7H/m 是真空磁導(dǎo)率，μ_r 是相對磁導(dǎo)率（對于集成電路中的常見材料，假設(shè)μ_r=1），A是接地環(huán)路面積（如前面發(fā)現(xiàn)的0.1mm2，換算為1 ×10^-7m²），l 是接地環(huán)路的平均周長（假設(shè)通過測量或估算為1mm，即0.001m）。計算出接地環(huán)路電感后，可以評估其對高頻信號的影響，電感較大可能導(dǎo)致在高頻下產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓，從而引入噪聲。根據(jù)接地環(huán)路的情況和計算出的電感值，如果電感值較大則需要重新調(diào)整元件布局或者接地連接方式。將形成接地環(huán)路的兩個元件之間的距離增大，從原來的0.5mm增大到1.5mm，或者改變接地導(dǎo)線的連接路徑，避免形成閉環(huán)。

在集成電路版圖設(shè)計完成后進行物理驗證，使用專業(yè)的Calibre物理驗證工具檢查接地連接是否符合設(shè)計要求，是否存在潛在的短路或者開路情況，從而抑制集成電路中的噪聲。

2信號完整性測試實驗

2.1實驗準(zhǔn)備

假設(shè)在一個高速數(shù)字通信集成電路的研發(fā)過程中，需要對信號完整性進行測試。該集成電路用于數(shù)據(jù)中心的高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率高達10 Gbps。在系統(tǒng)硬件設(shè)備設(shè)計中，信號發(fā)生器型號為Agilent81160A，能夠產(chǎn)生高精度、高頻率的測試信號，頻率范圍為10 MHz至12.75 GHz。Tektronix DPO73304DX示波器具有33 GHz的帶寬和100 GS/s的采樣率，可以精確捕捉高速信號的波形。實驗專門設(shè)計了測試電路板，包含待測試的集成電路以及相關(guān)的外圍電路，如電源電路、時鐘電路等。電路板采用多層PCB設(shè)計，以模擬實際應(yīng)用中的布線環(huán)境。

Keysight E5071C阻抗分析儀用于測量傳輸線的阻抗特性，頻率范圍為5 Hz至20 GHz。將信號發(fā)生器通過高質(zhì)量的同軸電纜連接到測試電路板的信號輸入端，確保連接牢固，以減少信號反射和損耗。用另一根同軸電纜將測試電路板的信號輸出端連接到示波器的輸入通道，同時將阻抗分析儀通過測試探頭連接到測試電路板上的傳輸線，用于測量阻抗。

2.2實驗結(jié)果

在信號發(fā)生器上設(shè)置輸出信號的頻率為（或改為“相當(dāng)于”）10 Gbps的速率（注：此處原文直接設(shè)置頻率為10Gbps不準(zhǔn)確，因為頻率通常指信號變化的快慢，而Gbps是數(shù)據(jù)傳輸速率，但為保持原文意圖，這里做了說明性修改），信號幅度為1 Vpp（峰-峰電壓），信號類型為偽隨機二進制序列（PRBS），以便模擬實際的數(shù)據(jù)信號。配置示波器的觸發(fā)模式為邊沿觸發(fā)，觸發(fā)源為測試信號通道，觸發(fā)電平設(shè)置為信號幅度的50%。同時，設(shè)置示波器的采樣率為80 GS/s，以確保能夠準(zhǔn)確捕獲信號的細(xì)節(jié)。

阻抗分析儀設(shè)置為掃頻模式，頻率范圍從1 MHz 至10 GHz，以測量不同頻率下傳輸線的阻抗特性。檢查測試電路板上的集成電路是否焊接良好，確保所有引腳與電路板的連接無短路和開路現(xiàn)象。對電路板進行預(yù)熱，將環(huán)境溫度穩(wěn)定在25°C ± 1°C，以消除溫度對測試結(jié)果的影響。應(yīng)用后的實驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知，采用保障技術(shù)后，信號的上升時間和下降時間都明顯縮短。這意味著信號在傳輸過程中的轉(zhuǎn)換速度更快，減少了信號在不同狀態(tài)之間的過渡時間，從而降低了信號受到噪聲干擾的可能性。信號過沖從15%降低到5%，說明信號的穩(wěn)定性得到了顯著提高。過沖可能導(dǎo)致信號超出電路元件的承受范圍，引起信號失真甚至損壞元件。降低過沖可以使信號更加平滑地傳輸，提高信號完整性，信號眼圖張開度從200mV增加到350mV，表明信號的質(zhì)量得到了改善。

信號眼圖張開度越大，說明信號在傳輸過程中的抗干擾能力越強，信號的誤碼率越低。在5GHz時，傳輸線阻抗更接近設(shè)計目標(biāo)值（假設(shè)設(shè)計目標(biāo)阻抗為50Ω）。阻抗匹配對于信號完整性至關(guān)重要，匹配的阻抗可以減少信號反射，提高信號傳輸效率。

3結(jié)束語

綜上所述，單點接地技術(shù)在集成電路的噪聲抑制與信號完整性保障中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從確定公共接地點的位置，到將電路元件合理連接到公共接地點，再到仔細(xì)檢查接地回路，每一個步驟都對最終的效果產(chǎn)生重要影響。通過優(yōu)化這些環(huán)節(jié)，可以有效降低集成電路中的噪聲，保障信號的完整性。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，單點接地技術(shù)仍有進一步優(yōu)化的空間。未來的研究可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，進一步探索公共接地點的精確確定方法、連接方式的改進措施以及接地回路檢查方法的完善途徑，以更好地適應(yīng)集成電路設(shè)計的需求，推動集成電路向高性能和高可靠性方向發(fā)展。