曹群生

【摘要】通過近年來對電子、信息工程類的研究生開始的《高速電路信號完整性》課程的雙語教學實踐，總結了這些年在課堂教學和實驗經驗體會。我們認為在研究生中開設類似的課程是非常有必要的。

【關鍵詞】課程 實踐教學 電子

【中圖分類號】G642.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）02-0141-02

一、 前言

隨著科學技術的發(fā)展，無線電技術的電子、信息工程等傳統(tǒng)研究生教學領域面臨需要知識更新，理念完善等工作。在國外，有關電磁輻射的研究領域數十年前就受到重視，其課程“電磁兼容”早已面向教學，國內也同樣開設這些課程。但隨著信號頻率越來越高，電路中的很多原屬于“路”的問題已經演變?yōu)椤皥觥钡膯栴}，加速了對高速和非線性電路的理論研究。尤其是隨著集成電路IC設計和高速電路板設計的人才需求劇增，近年來在國外（如美國）的一些大學新增了相關的專業(yè)課《高速電路信號完整性》（簡稱SI課程），以滿足電子行業(yè)IT企業(yè)對高速電路方面工程師的需要，出版一批專著，如參考文獻。

另外在高校教學改革中，一方面可直接通過合作辦學的方式引進國外的教材和先進的教學理念，也可由國外教授來進行課堂教學，以加快彌補不足；另一方面可對已有課程的設置進行革新，通過市場化專業(yè)設置來配置教學資源，應用先進的教學手段，生動靈活進行教學。近年來南京航空航天大學電子信息學院（簡稱電子學院）結合現代技術發(fā)展，與國外大學在射頻技術、無線信號傳輸，特別是電路板中的高速信號傳輸研究和SI課程的教學有著深入合作。本文意在通過討論信號完整性課程建設的認知過程，介紹從傳統(tǒng)的課堂教學和眾多的數學公式推導如何過渡到信號SI課程體系的過程，也介紹如何運用已有的計算程序作為實驗課的一部分來建立仿真系統(tǒng)。這些為集成電路IC和高速電路板設計技術的課程改革進行了有益的嘗試。

二、 信號完整性課程的引入

南航大學的電子學院研究生主要有電子與通信工程專業(yè)，研究方向涉及電磁場與微波、電路系統(tǒng)、集成電路和通信工程等，研究生畢業(yè)后有相當一部分去研究所、公司從事開設研發(fā)工作，會參與相關的高速電路的設計研發(fā)工作，有的直接從事高速電路板的研發(fā)工作，這些都涉及有關信號完整性的理論知識。因此針對高速電路（高速芯片）技術的發(fā)展，針對研究生未來對新技術的需求，我們開設了《高速電路的信號完整性》課程。該課程面向電子與通信工程專業(yè)（主要是電子工程專業(yè)）研究生開設，目的主要是通過實踐教學的加大信號完整性討論篇幅來要培養(yǎng)學生對信號完整性概念理解，提高學生對高速電路以及微波電路中信號傳輸完整性的理論學習興趣。同時課堂教學采用雙語教學，（若有留學生選課時則完全采用英語教學），這樣在使用最新國外教程的學習過程中提高了英文專業(yè)文獻的閱讀能力，可謂一舉兩得。這些年國外陸續(xù)出版了“信號完整性”的著作，側重點各不相同。我們在同國外大學進行學術交往的過程中，和國外的教授們對選擇何種教材進行了交流，并結合我們自身的實際情況，確定了相關的教材和參考書。另外國外教授也為我們提供了有參考價值的教學課件，使得我們很快就能夠為我們的研究生開設課程。我們認為對類似的涉及新技術課程，如果能夠有條件和先進國家的大學進行實質交流，可以較好和較快地在國內高校開始這方面課程的建設。

三、 SI課程的教學

由于SI課程涉及到高速芯片、總線、傳輸線、器件測量、電磁輻射和傳播等知識，課程體系貫穿“場”“路”的體系，并采用時-頻域分析方法，以及眾多的概念（如過孔、串擾、電磁干擾EMI、回路、阻抗匹配等）。因此我們有意識地在基本問題方面引入完整性的問題。如從電尺寸大小的纜線概念過渡到高速電路形成，從信號上升沿時間大小引入時域表述信號等。另外我們也在課堂上強調信號完整性的提出是隨著高速芯片技術發(fā)展而提出的，在高速的傳輸信號中，傳統(tǒng)電路分析的連續(xù)性將失效，封裝和互連對于信號不再是連續(xù)，會伴隨寄生效應的產生。當信號沿互聯-負載線運動過程中，都會感受到瞬態(tài)阻抗、導納、電感和電容的作用。任何長度和形狀的信號路徑和返回路徑，構成一個回路。由于引入時域分析方法，所以當方波信號的上升和下降時，在時域波形中都會出現震蕩現象，這就是所謂“振鈴”效應。同時由一個由信號路徑和返回路徑構成的傳輸線回路，在討論信號傳輸路徑上遇到不連續(xù)時，反射效應出現，這就引出TDR時域測量方法。另外在信號完整性分析中，“接地”概念發(fā)生了本質的改變，通常和信號路徑一起構成返回路徑。當流經接地回路等效電感上的電流發(fā)生變化時，在返回路傳輸線上會產生“地彈”電壓。這是開關噪聲和EMI的內部機理。因此，信號在高速電路的傳輸時產生許多在低頻（低速）電路中所忽略的物理現象，這也就是SI課程所帶來的新的內容。

四、 SI課程的軟件實驗教學

作為一門實驗課程占有相當比例的課程，SI課程的教學內容分為理論教學和實驗教學兩部分。理論教學部分是將基本的、重要的概念、原理、方法在有限的課時教學中教授給學生。在此基礎上運用軟件進行仿真實驗也是學習和驗證SI課程的重要內容。在課堂上介紹Intel提出的IBIS（I/O Buffer Information Specification）的概念和簡單的邏輯編程。在實驗室里可選取適當的軟件（如Cadence）進行軟件仿真。對高速PCB的信號線能夠根據疊層的排序，PCB的介電常數，介質的厚度，信號層所處的位置以及線寬等等來判斷某一PCB線條是否屬于微帶線，帶狀線，寬帶耦合帶狀線，并且根據不同的計算公式自動計算出信號線的阻抗以及信號的反射、串繞、電磁干擾等等， 對布線進行約束以保證PCB的信號完整性。通過典型電路的仿真來加強認識。典型的可以分為傳輸線仿真（主要討論平行傳輸線上仿真終端阻抗對信號的影響）、串擾仿真（主要討論共模和差模電流的對串擾的影響）、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信號影響）、過孔對信號的影響等）。

另外也給研究生通過“場仿真”來加深對SI課程的理解，作為課后的仿真計算的要求，要求使用場求解器（如HFSS）來模擬傳輸線穿過不同介質板的過孔時在其周圍所產生場的分布，并要求以變化的場來表現過孔大小、尺寸以及介質參數的影響。通過系列實驗訓練，使得學生們能夠深入理解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合

SI課程是不斷更新和發(fā)展的新興技術，有必要在課堂將最新的研究進展介紹給學生。如當介紹到時域反射法（TDR）和時域傳播法（TDT）方法時，除了給出基本原理和一般應用以為，我們還特別選擇幾篇國際權威期刊（Nature和Applied Physics）上發(fā)表的用來分析磁性材料的高水平研究論文，給學生展示了如何使用基本的測試方法，同時還開闊他們的研究視野。論文在理論教學基礎上，我們有目的介紹課題組近年來在降低傳輸線串擾、保護線設計、電源分配，以及三維IC設計的硅通孔等研究工作，將實踐性教學與啟發(fā)式教學相結合。

六、 結論

通過近年來開設SI課程的教學、實驗的結合，使SI課程以開放式、研究式形成貫穿始終，鼓勵學生總結歸納所學內容，經過一段時間的學習和實驗，最后以論文形式來總結。這些措施促進了學生的積極性和提高了學習的熱情，增強了對將來作為SI工程師的理解和從事高速電路設計等工作的興趣和信心。我們認為研究生的SI課程雙語教學，通過強化對SI新技術的學習，通過對教學手段、教學方法和實驗環(huán)節(jié)等多方面的不斷地探索，通過跟蹤新的技術發(fā)展，最終使學生掌握SI的新技術，為提高SI課程的教學水平和教學質量提供借鑒。