基于信号完整性与电源完整性的PCB电磁兼容协同仿真方法研究

PCB信号完整性分析与设计在电子设计领域，信号完整性（Signal Integrity，简称SI）是指电路系统中信号的质量和稳定性。

PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）作为电子设备的基础组件，其信号完整性分析与设计直接影响到整个电子设备的工作性能。

本文将探讨PCB信号完整性分析的重要性以及设计策略。

在现代电子系统中，高速数字信号的传输越来越普遍，对PCB信号完整性的要求也越来越高。

如果信号完整性得不到保障，会导致一系列问题，如电磁干扰（EMI）、电源噪声、时序错误等，严重时可能导致系统崩溃。

阻抗不连续：当信号在PCB走线传输时，如果阻抗突变，会导致信号反射，从而影响信号完整性。

串扰：相邻信号线之间的电磁耦合会导致信号间的干扰，影响信号的纯净性。

电源噪声：电源的不稳定或噪声会影响数字系统的时序和稳定性。

接地问题：不合理的接地方式会导致信号间的干扰和电源噪声的引入。

合理规划信号走线：根据信号的特性和频率，选择合适的走线方式，如并行走线、差分走线等，以减小信号间的干扰。

优化阻抗匹配：通过计算和控制阻抗，使信号在传输过程中的反射最小。

减少串扰：通过增加间距、使用屏蔽罩等方式，减小信号间的电磁耦合。

电源和接地设计：采用稳定的电源系统和合理的接地方式，以减小电源噪声和信号干扰。

使用去耦电容：在关键电源和接地节点处使用去耦电容，可以有效吸收电源噪声和减少信号干扰。

信号时序控制：通过合理的设计，保证信号的时序正确，避免因时序错误导致的系统不稳定。

仿真与优化：使用专业的仿真工具对设计进行仿真，根据仿真结果对设计进行优化。

PCB信号完整性分析与设计是保证现代电子系统性能的重要环节。

通过对影响信号完整性的主要因素进行分析，我们可以针对性地提出有效的设计策略。

在实施这些策略时，需要综合考虑系统的复杂性和实际可操作性，确保设计的实用性和有效性。

随着电子技术的发展，我们需要不断地更新和改进信号完整性设计和分析的方法，以满足更高性能、更低功耗、更小体积的电子设备需求。

信号完整性与电源完整性的研究与仿真的开题报告一、选题背景及意义信号完整性和电源完整性感性地理解，即不同的信号和电源是否能够在电路中保持其原始状态。

在高速PCB设计中，信号完整性问题和电源完整性问题是非常普遍的，它们会产生各种各样的电路干扰，如噪音、电磁干扰等等，从而导致电路性能的下降或者系统功能的失效。

因此，实现信号完整性和电源完整性对于保证电路性能和系统可靠性是至关重要的。

然而，在高速PCB设计中，对于信号完整性和电源完整性的研究与仿真是一个非常重要的环节。

二、研究目标本研究的主要目标是探讨信号完整性和电源完整性在高速PCB设计中的关键问题，例如信号的传输和噪声的抑制、电源的供电质量和稳定性等等。

通过对实验和仿真的比较，分析影响信号完整性和电源完整性的因素，并提供相应的设计方法和方案。

三、研究内容与步骤1、了解信号完整性和电源完整性相关的理论知识。

2、分析信号完整性和电源完整性的影响因素。

3、研究现有的信号完整性和电源完整性仿真方法，并结合实验进行对比分析。

4、验证设计方案，通过仿真分析和实验验证，确定最优解决方案。

5、总结研究成果，提出针对信号完整性和电源完整性研究的未来发展方向。

四、预期成果与创新点预计本研究将通过实验和仿真，提供了解信号完整性和电源完整性在高速PCB设计中的关键问题的详细分析，为保证电路性能和系统可靠性提供设计方案和方法，并为相关领域的研究提供创新点。

五、研究方法本研究采用实验和仿真相结合的方法，通过实验验证仿真结果的准确性，并通过仿真得到更多有价值的信息。

在实验方面，将借助现有的测试设备进行测试，如信号发生器、示波器等。

在仿真方面，将采用相应的仿真软件工具，如Altium Designer 等进行仿真。

六、研究难点1、信号完整性和电源完整性影响因素的综合分析。

2、如何针对信号完整性和电源完整性的问题提供最优解决方案。

3、通过仿真和实验得到准确的结果和分析。

七、时间安排本研究计划在2021年9月至2022年6月期间完成。

Cadence PCB SI仿真流程——孙海峰高速高密度多层PCB板的SI/EMC(信号完整性/电磁兼容)问题长久以来一直是设计者所面对的最大挑战。

然而，随着主流的MCU、DSP和处理器大多工作在100MHz以上(有些甚至工作于GHz级以上)，以及越来越多的高速I/O埠和RF前端也都工作在GHz级以上，再加上应用系统的小型化趋势导致的PCB 空间缩小问题，使得目前的高速高密度PCB板设计已经变得越来越普遍。

许多产业分析师指出，在进入21世纪以后，80%以上的多层PCB设计都将会针对高速电路。

高速讯号会导致PCB板上的长互连走线产生传输线效应，它使得PCB设计者必须考虑传输线的延迟和阻抗搭配问题，因为接收端和驱动端的阻抗不搭配都会在传输在线产生反射讯号，而严重影响到讯号的完整性。

另一方面，高密度PCB板上的高速讯号或频率走线则会对间距越来越小的相邻走线产生很难准确量化的串扰与EMC问题。

SI和EMC的问题将会导致PCB设计过程的反复，而使得产品的开发周期一再延误。

一般来说，高速高密度PCB需要复杂的阻抗受控布线策略才能确保电路正常工作。

随着新型组件的电压越来越低、PCB板密度越来越大、边缘转换速率越来越快，以及开发周期越来越短，SI/EMC挑战便日趋严峻。

为了达到这个挑战的要求，目前的PCB设计者必须采用新的方法来确保其PCB设计的可行性与可制造性。

过去的传统设计规则已经无法满足今日的时序和讯号完整性要求，而必须采取包含仿真功能的新款工具才足以确保设计成功。

Cadence的Allegro PCB SI提供了一种弹性化且整合的信号完整性问题解决方案，它是一种完整的SI/PI(功率完整性)/EMI问题的协同解决方案，适用于高速PCB设计周期的每个阶段，并解决与电气性能相关的问题。

Allegro PCB SI信号完整性分析的操作步骤，就是接下来将要介绍的。

一、Allegro PCB SI分析前准备：1、准备需要分析的PCB，如下图；2、SI分析前的相关设置，执行T ools/Setup Advisor,进入Database Setup Advisor 对话框，进行SI分析前的设置；（1）设置PCB叠层的材料、阻抗等，点击Edit Cross section，进入叠层阻抗等设置界面。

信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计1简介信号完整性是指信号在通过一定距离的传输路径后在特定接收端口相对指定发送端口信号的还原程度。

在讨论信号完整性设计性能时，如指定不同的收发参考端口，则对信号还原程度会用不同的指标来描述。

通常指定的收发参考端口是发送芯片输出处及接收芯片输入处的波形可测点，此时对信号还原程度主要依靠上升/下降及保持时间等指标来进行描述。

而如果指定的参考收发端口是在信道编码器输入端及解码器输出端时，对信号还原程度的描述将会依靠误码率来描述。

电源完整性是指系统供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该器件对工作电源要求的符合程度。

同样，对于同一系统中同一个器件的正常工作条件而言，如果指定的端口不同，其工作电源要求也不同（在随后的例子中将会直观地看到这一点）。

通常指定的器件参考端口是芯片电源及地连接引脚处的可测点，此时该芯片的产品手册应给出该端口处的相应指标，常用纹波大小或者电压最大偏离范围来表征。

图一是一个典型背板信号传输的系统示意图。

本文中“系统”一词包含信号传输所需的所有相关硬件及软件，包括芯片、封装与PCB板的物理结构，电源及电源传输网络，所有相关电路实现以及信号通信所需的协议等。

从设计目的而言，需要硬件提供可制作的支撑及电信号有源/无源互联结构；需要软件提供信号传递的传输协议以及数据内容。

图1 背板信号传输的系统示意图在本文的以下内容中，将会看到由于这些支撑与互联结构对电信号的传输呈现出一定的频率选择性衰减，从而会使设计者产生对信号完整性及电源完整性的担忧。

而不同传输协议及不同数据内容的表达方式对相同传输环境具备不同适应能力，使得设计者需要进一步根据实际的传输环境来选择或优化可行的传输协议及数据内容表达方式。

为描述方便起见以下用“完整性设计与分析”来指代“信号完整性与电源完整性设计与分析”。

2 版图完整性问题、分析与设计上述背板系统中的硬件支撑及无源互联结构基本上都在一种层叠平板结构上实现。

基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术研究一、本文概述随着电子技术的飞速发展，电子设备在日常生活中的应用越来越广泛，从家用电器到通信设备，再到航空航天设备，电子设备无处不在。

然而，随着电子设备数量的增加，电磁兼容性问题也日益凸显。

电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在共同的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

在电子设备的设计和制造过程中，电磁兼容性的分析和优化至关重要。

本文主要研究基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术。

CST是一款强大的电磁仿真软件，广泛应用于电磁场分析、电磁兼容性分析、天线设计等领域。

本文首先介绍了电磁兼容性的基本概念和重要性，然后详细阐述了CST软件的基本原理和功能特点，接着重点探讨了使用CST软件进行PCB板电磁兼容仿真的方法和流程，包括模型建立、仿真设置、结果分析等步骤。

本文旨在通过深入研究基于CST软件的PCB板电磁兼容仿真技术，为电子设备的设计和制造提供一种有效的电磁兼容性分析和优化方法。

本文也期望通过分享实际案例和经验，为同行提供参考和借鉴，共同推动电磁兼容仿真技术的发展。

二、CST软件介绍CST（Computer Simulation Technology）是一款广泛应用的电磁场仿真软件，被工程师和研究人员用于模拟和分析各种电磁兼容性问题。

CST软件具有高度的集成性和灵活性，可以精确地模拟从低频到高频，从直流到微波的电磁现象。

该软件提供了丰富的工具和算法，可以模拟复杂的电磁环境和设备，预测和优化产品的电磁兼容性。

CST软件的主要特点包括其强大的求解器，支持多种电磁场求解方法，如时域有限差分法（FDTD）、频域有限积分法（FIT）等。

这些求解器可以适应不同的仿真需求，从简单的电路分析到复杂的三维电磁场模拟。

CST软件还具有强大的后处理功能，可以将仿真结果以直观的方式呈现出来，帮助用户更好地理解和分析电磁兼容性问题。

在PCB板电磁兼容仿真方面，CST软件提供了专业的PCB板模块，可以模拟和分析PCB板上的电磁场分布、信号传输和干扰等问题。

PCB的板级电磁兼容问题一、（芯片）（集成电路）现状现阶段，（电子）系统正向高速化和高密度化飞跃发展。

在电子系统的设计过程中，系统的体积越来越小，IC引脚（in（te）grated circuit,集成电路）却越来越多，因此（PCB）（Printed Circuit Board,印制电路板）上的元件与布线越来越密集；与此同时，（信号）的（时钟）频率越来越大，并且信号上升沿越来越陡峭。

这些因素都导致了电磁环境的日益复杂，设备之间以及设备内部因互感和互容引发的种种（电磁兼容）问题已不容忽视。

这一问题在现今的强辐射源与高功率（微波）系统中也显得日益突出。

如在某高功率微波系统中，需要在限定的体积和尺寸下，采用（FPGA）芯片实现对多路（电机）的并行控制，就需要设计高速高密度的PCB。

本文就研究该情况下PCB的板级电磁兼容问题，主要包括信号完整性（Signal Integrity, SI）和（电源）完整性（PowerIntegrity，PD问题。

二、信号完整性及电源完整性问题信号完整性概括地说，是指信号在信号线上传输质量的好坏。

在（数字电路）中，体现在信号能在电路中能以正确的电压、带宽和时序做出响应。

若在PCB中，信号可以以正确的电压大小、带宽和时序都到达接收端，就能说明该PCB具有较好的信号完整性。

如果不能，则说明PCB中岀现了严重的信号完整性问题。

在高速高密度的数字电路中，信号完整性问题大致表现在一下几个方面：振铃、过冲、欠冲和时延等。

为了正确读取数据并对数据进行处理，数据在集成电路中需要在时钟边沿的前后处于稳定状态。

这个时间段内，如果信号不稳定或者发生状态的改变，集成电路就可能误判甚至发生丢失部分数据的情况，影响信号的正常传输。

如图1所示，若岀现振铃、上冲或下冲等信号完整性问题，就会影响数据的正常传输，从而影响PCB的正常工作，也可以从眼图直观判断信号传输的好坏，如图2图1PCB中信号完整性问题的表现图2 表征信号完整性问题的眼图信号完整性问题既会导致信号明显的失真和时序混乱，也会造成数据的错误，从而造成系统出错甚至瘫痪。

电路板级的信号完整性问题和仿真分析摘要：今天随着电子技术的发展，电路板设计中的信号完整性问题已成为PCB设计者必须面对的问题。

信号完整性指的是什么？信号在电路中传输的质量。

由于电子产品向高速、微型化的发展，导致集成电路开关速度的加快，产生了信号完整性问题。

常见的问题有反弹、振铃、地弹和串扰等等。

这些问题将会对电路板设计产生怎样的影响？通过理论分析探讨，找到解决它们的一些途径。

传统的PCB设计是在样机中去测试问题，极大的降低了产品设计的效率。

使用EDA工具分析，可以将问题在计算机中进行暴露处理，降低问题的出现，提高产品的设计效率。

这里以Altium Designer 6.0工具为例，介绍分析解决部分信号完整性问题的方法。

关键词：信号完整性 Altium Designer 6.0 仿真分析[中图分类号] O59 [文献标识码] A [文章编号] 1000-7326（2012）04-0125-0320世纪初叶，科学家先后发明了真空二极管和三极管，它代表人类进入了电子技术时代。

随后半导体晶体管和集成电路的出现，将电子技术推向了一个新的时期。

特别是IC芯片的发展，使电子产品越来越趋向于小型化、高速化、数字化。

但同时却给电子设计带来一个新的问题：体积减小导致电路的布局布线密度变大，而同时信号的频率也在迅速提高，如何处理越来越快的信号。

这就是我们硬件设计中遇到的最核心问题：信号完整性。

为什么我们以前在学校学习和电子制作中没有遇到呢？那是因为在模拟电路中，采用的是单频或窄频带信号，我们关心的只是电路的信噪比，没有去考虑信号波形和波形畸变；而在数字电路中，电平跳变的信号上升时间比较长，一般为几个纳秒。

元件间的布线不会影响电路的信号，所以都没有去考虑信号完整性问题。

但是今天，随着GHz时代的到来，很多IC的开关速度都在皮秒级别，同时由于对低功耗的追求，芯片内核电压越来越低，电子系统所能容忍的噪声余量越来越小，那么电路设计中的信号完整性问题就突现出来了。

高速PCB设计中信号完整性的仿真与分析经验信号完整性是高速PCB设计中非常重要的考虑因素之一，它涉及到信号的传输特性、功率完整性和噪声抑制等方面。

为了确保良好的信号完整性，需要进行仿真和分析，下面将分享一些经验。

首先，进行信号完整性仿真和分析时，通常会使用电磁场仿真软件，如HyperLynx、ADS和Siemens Polarion等。

这些软件提供了强大的仿真工具，可以模拟高速信号在PCB板层间、连线延迟、反射噪声和交叉耦合等方面的特性。

在进行PCB布线之前，可以使用S参数仿真来预测信号传输损耗和延迟。

S参数仿真可以帮助确定适当的信号线宽和间距，以确保信号在传输过程中不会过多地损耗信号强度。

另外，还可以使用时间域仿真来观察信号的时钟偏移、波形畸变和振荡等问题。

在信号完整性分析中，功率完整性也是一个重要的考虑因素。

为了确保功率供应的稳定性，可以使用直流仿真来模拟电流分布和功率供应网络的负载情况。

同时，也需要考虑布线的阻抗匹配和电源降噪等因素，以确保信号传输过程中的稳定性和可靠性。

噪声抑制是信号完整性另一个重要的方面。

在高速PCB设计中，尤其是在高频电路中，信号可能会受到电磁干扰、串扰和反射等干扰。

为了抑制这些噪声，可以使用串扰仿真来分析信号互相之间的干扰程度，并采取相应的补救措施，如增加地线和电源平面或添加层间抑制器等。

此外，还可以通过仿真来评估不同布线方案的性能。

通过对比仿真结果，可以选择性能最佳的布线方案，以实现更好的信号完整性。

除了进行仿真分析，还应根据实际情况对设计进行优化，如合理布局和分隔模块、减少信号线长度、使用合适的信号线层间堆叠等。

总结起来，信号完整性的仿真与分析在高速PCB设计中起着至关重要的作用。

通过运用合适的仿真工具和技术，可以提前检测和解决信号完整性问题，提高PCB设计的可靠性和性能。

同时，也需要结合实际经验和优化措施，确保设计的有效性和可行性。