PCB SI信号完整性之反射仿真.
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SI五款信号完整性仿真工具介绍(一)Ansoft公司的仿真工具现在的高速电路设计已经达到GHz的水平,高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。
高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础,必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。
目前,Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发,对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。
Ansoft的信号完整性工具采用一个仿真可解决全部设计问题:SIwave是一种创新的工具,它尤其适于解决现在高速PCB和复杂IC封装中普遍存在的电源输送和信号完整性问题。
该工具采用基于混合、全波及有限元技术的新颖方法,它允许工程师们特性化同步开关噪声、电源散射和地散射、谐振、反射以及引线条和电源/地平面之间的耦合。
该工具采用一个仿真方案解决整个设计问题,缩短了设计时间。
它可分析复杂的线路设计,该设计由多重、任意形状的电源和接地层,以及任何数量的过孔和信号引线条构成。
仿真结果采用先进的3D图形方式显示,它还可产生等效电路模型,使商业用户能够长期采用全波技术,而不必一定使用专有仿真器。
(二)SPECCTRAQuestCadence的工具采用Sun的电源层分析模块:Cadence Design Systems的SpecctraQuest PCB信号完整性套件中的电源完整性模块据称能让工程师在高速PCB设计中更好地控制电源层分析和共模EMI。
该产品是由一份与Sun Microsystems公司签署的开发协议而来的,Sun最初研制该项技术是为了解决母板上的电源问题。
有了这种新模块,用户就可根据系统要求来算出电源层的目标阻抗;然后基于板上的器件考虑去耦合要求,Shah表示,向导程序能帮助用户确定其设计所要求的去耦合电容的数目和类型;选择一组去耦合电容并放置在板上之后,用户就可运行一个仿真程序,通过分析结果来发现问题所在。
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。
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。
作者简介:曹宇(1969-),男,上海人,硕士,工程师.第6卷第6期2006年12月泰州职业技术学院学报JournalofTaizhouPolytechnicalInstituteVol.6No.6Dec.2006摘要:针对高速数字电路印刷电路板的板级信号完整性,分析了IBIS模型在板级信号完整性分析中的作用。
利用ADS仿真软件,采用电磁仿真建模和电路瞬态仿真测试了某个实际电路版图,给出了实际分析结果。
关键词:信号完整性;IBIS;仿真;S参数中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1671-0142(2006)06-0030-03信号完整性(SI,SignalIntegrity)的概念是针对高速数字信号提出来的。
以往的数字产品,其时钟或数据频率在几十兆之内时,信号的上升时间大多在几个纳秒,甚至几十纳秒以上。
数字化产品设计工程师关注最多的是“数字设计”保证逻辑正确。
随着数字技术的飞速发展,原先只是在集成电路芯片设计中需要考虑的问题[1]在PCB板级设计中正在逐步显现出来,并由此提出了信号完整性的概念。
在众多的讲述信号完整性的论文和专著中[2,3],对信号完整性的描述都是从信号传输过程中可能出现的问题(比如串扰,阻抗匹配,电磁兼容,抖动等)本身来讨论信号完整性,对信号完整性没有一个统一的定义。
事实上,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,这个还原程度是指在指定的收发参考端口,发送芯片输出处及接收芯片输入处的波形需满足系统设计的要求[4]。
1、板级信号完整性分析1.1信号完整性分析内容的确定信号完整性分析工作是一项产品开发全流程工作,从产品设计阶段开始一直延续到产品定型。
PCB板级设计同样如此。
在系统设计阶段,产品还没有进入试制,需要建立相应的系统模型并得到仿真结果以验证设计思想和设计体系正确与否,这个阶段称前仿真;前仿真通过后,产品投入试制,样品出来后再进行相应的测试和仿真,这个阶段称后仿真。
1 SI仿真介绍信号完整性(SIGNAL INTEGRITY简称SI)是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。
由于信号速率的提高,信号在板级的整个传输链路不再是集中参数,如传输线、过孔、器件封装焊盘、连接器等都要看成分布参数,这些分布参数会造成信号的延时、阻抗不匹配引起的信号反射、速率提高造成的趋肤损耗增大、PCB板材的介电损耗增大等等,这些高速效应均会给信号质量带来一系列恶化影响,如过冲、振铃、非单调性、噪声裕量减小、上升下降沿变缓、眼图恶化、抖动加大等等,最终会导致误码、系统不稳定等多种产品问题。
1.1 SI仿真内容SI仿真分为前仿真和后仿真,主要对DDR和NAND FLASH的信号完整性进行仿真,具体内容包括过冲、振铃和眼图三方面。
过冲:过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。
振荡:振荡和过冲在本质上是相同的,在一个时钟周期中,反复的出现过冲和下冲,我们就称之为振荡。
振荡是电路中因为反射而产生的多余能量无法被及时吸收的结果。
振荡根据表现形式可分为振铃和环绕振荡。
振铃为欠阻尼振荡,而环绕振荡为过阻尼振荡。
眼图:指利用实验的方法估计和改善(通过调整)传输系统性能时在示波器上观察到的一种图形。
眼图的成因:由于示波器的余辉作用,扫描所得的每一个码元波形将重叠在一起,从而形成眼图。
阈值电压(Threshold V oltages-V_high_ref and V_low_ref)示波器开始/停止测量的电压,如下图所示:V_high:信号的额定高电平(或最高电压);V_high_ref:信号高电平的参考电压(80% V_high);V_low:信号的低电平(或最低电压);V_low_ref:信号低电平的参考电压(V_low+20%V_high)。
如图1所示:图1T su:信号建立时间;T h:信号保持时间。
信号传输时差:T_high:在眼图中信号高电平所经历的时差(如图2中菱形框中上部分实线横杠所示)T_low:在眼图中信号高电平所经历的时差(如图2中菱形框中下部分实线横杠所示)V_highV_high_refV_low_refV_lowT_highT_lowe y e d i a g r a m图21.2 仿真工具HyperLynx V8.0。
基于Cadence软件高速PCB设计的信号完整性仿真邓素辉;谭子诚;鄢秋荣;刘明萍;周辉林【摘要】The common signal integrity (SI) problems of signal reflection and crosstalk in high-speed PCB were studied by using the analysis tool of PCB SI in the Cadence software.The simulation steps were given in detail and the waveforms of the simulation were shown.The results show that several methods of termination matching can be applied to solve the reflection problems.Adjusting the line spacing can effectively reduce the signal crosstalk phenomenon.The improvements of signal integrity in PCB were displayed obviously,the method is very helpful in undergraduates' teaching of the EDA design.%基于Cadence软件的PCB SI工具,对高速PCB信号完整性常见问题中的反射和串扰进行了仿真分析.演示了具体的仿真步骤,给出了仿真波形.仿真结果表明,使用不同的端接匹配方式实现了信号反射问题的改善,使用改变线间距的方法减少了信号串扰.直观的展示了PCB仿真设计能够改善信号完整性问题,可用于EDA设计的本科教学实验演示.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2017(036)012【总页数】5页(P116-120)【关键词】高速PCB;信号完整性;反射;串扰【作者】邓素辉;谭子诚;鄢秋荣;刘明萍;周辉林【作者单位】南昌大学信息工程学院,南昌330031;南昌大学信息工程学院,南昌330031;南昌大学信息工程学院,南昌330031;南昌大学信息工程学院,南昌330031;南昌大学信息工程学院,南昌330031【正文语种】中文【中图分类】TN410 引言随着电子产品朝着高速率、高密度、小体积的方向发展,电子系统设计领域已经进入GHz及以上的设计领域。
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。
信号完整性分析SI仿真DemoAltium Designer的SI仿真功能,可以在原理图阶段假定PCB环境进行布线前预仿真,帮助用户进行设计空间探索,也可以在PCB布线后按照实际设计环境进行仿真验证,并辅以虚拟端接,参数扫描等功能,帮助用户考察和优化设计,增强设计信心。
1.在Windows下打开SI_demo子目录,双击打开演示案例项目SI_demo.prjpcb,当前项目树中只有一页原理图SI_demo.schdoc,双击SI_demo.schdoc打开原理图。
观察到图中有U2和U3两个IC器件。
2.为器件指定IBIS模型(如果元件库中该器件已有正确的IBIS模型,则可跳过步骤2)通过双击器件U2,弹出以下窗口:点击Add右边的下拉箭头,选择Signal Integrity,为器件U2指定SI仿真用的IBIS模型。
在弹出的SI模型选择窗口中点击Import IBIS,选择U2对应的IBIS模型文件导入,本例中U2的IBIS模型文件为SI_demo文件夹中的文件5107_lmi.ibs,后面各窗口一直点击OK,直到回到原理图界面,U2的模型设定完成。
双击器件U3,按照同样的步骤为U3指定IBIS模型,其对应的IBIS模型文件为:edd2516akta01.ibs3.为关注的网络设定规则通过点击主菜单下的Place->Directives->Blanket,放置一个方框,将所关注的网络名称框住(本例中已经框住了LMID00-LMID15共16位数据总线)。
然后同样通过Place->Directives->PCB Layout, 放置一个PCB Rule规则符号,置于方框的边界上。
双击PCB Rule符号,编辑规则的属性,在以下窗口中依次点击红色矩形标记的按钮或填入相应的值:经过以上步骤,为LMID00-LMID15这16根信号线添加了一条规则:上升沿overshoot小于300mV(本例中已经预先设置,用户只需按步骤观察确认)。
缩小阻抗差距,解决PCB传输线之SI反射问题SI 问题最常见的是反射,我们知道PCB 传输线有特征阻抗属性,当互连链路中不同部分的特征阻抗不匹配时,就会出现反射现象。
SI 反射问题在信号波形上的表征就是:上冲/下冲/振铃等。
1. SI 问题的成因下可以看出,实际电子产品的高速信号互连链路是比较复杂的,而且通常在不同部件连接点处是会产生阻抗失配的问题、从而造成信号的发射。
高速互连链路常见的阻抗不连续点:(1)芯片封装:通常芯片封装基板内的PCB 走线线宽会比普通PCB 板细很多,阻抗控制不容易;(2)PCB 过孔:PCB 过孔通常为容性效应,特征阻抗偏低,PCB 设计最应该关注与优化;(3)连接器:连接器内铜互连链路的设计要同时受到机械可靠性与电气性能的双重影响,在两者之间寻求平衡;PCB 走线反而一般情况下阻抗控制比其他互连部件更容易,重点关注层叠设计、板材选择,但通常PCB 加工板厂的阻抗控制公差为10%,要达到5~8%的阻抗公差控制往往需要花费更高的加工成本。
2. 传输线反射基础理论当驱动器加信号到传输线时,信号的幅度依赖于驱动器的电压与电阻和传输线阻抗。
驱动器上的初始电压通过自身电阻和传输线阻抗的分压来控制。
下如果传输线的末端端接一个阻抗,而且这个阻抗与线的阻抗精确的匹配,那么幅度为Vi 的信号将被端接到地,电压Vi 将仍保持在线上直到信号源转换。
在这种情况下Vi 是dc 稳态值。
否则,如果传输线的末端的阻抗不是线的特征阻抗,信号的一部分端接到地,信号的其余部分将被反射到传输线回到源。
反射回的信号的量通过反射系数决定,反射系数由确定的点的反射电压和输入电压的比决定。
这个点定义为传输线上阻抗不连续。
阻抗不连续可以是不同特征阻抗的传输线的一部分,也可以是端接电阻或者是到芯片缓冲器上的输入阻抗。
反射系数的计算:其中Z0 为传输线标准阻抗,Zt 为传输线上某个不连续点的阻抗。
等式假设信号在特征阻抗为Z0 的传输线上传送遇到了不连续的阻抗Zt。
利用Cadence Allegro PCB SI进行SI仿真分析摘要本文主要针对高速电路中的信号完整性分析,利用Cadence Allegro PCB SI 工具进行信号完整性(SI)分析。
说明:本手册中的实例均采用Cadence SPB 16_2操作实现。
目录一、高速数字电路的基本知识 (3)1.1高速电路的定义 (3)1.2高速PCB的设计方法 (3)1.3微带线与带状线 (4)1.4常见的高速数字电路 (5)1.4.1 ECL(Emitter Coupled Logic)射级耦合电路 (5)1.4.2 CML(Current Mode Logic)电流模式电路 (6)1.4.3 GTL(Gunning Transceiver Logic)电路 (6)1.4.4 TTL(Transistor Transistor Logic)电路 (7)1.4.5 BTL(BackPlane Transceiver Logic)电路 (7)1.5信号完整性 (8)1.4.1 反射(Reflection) (8)1.4.2 串扰(Crosstalk) (8)1.4.3 过冲(Overshoot)与下冲(Undershoot) (9)1.4.4 振铃(Ringring) (9)1.4.5 信号延迟(Delay) (9)二、信号完整性分析和仿真流程 (11)2.1 SpecctraQuest interconnect Designer的性能简介 (11)2.2 SpectraQuest(PCB SI)仿真流程 (11)三、仿真前的准备 (13)3.1 IBIS模型 (13)3.1.1 IBIS模型介绍 (13)3.1.2 IBIS模型的获取方法 (14)3.1.2 验证IBIS模型 (14)3.2 预布局 (20)3.3 电路板设置要求(Setup Advisor) (23)3.3.1 叠层设置(Edit Cross-section) (24)3.3.2 设置DC电压值(Identify DC Nets) (25)3.3.3 器件设置(Device Setup) (26)3.3.4 SI模型分配(SI Model Assignment) (27)四、约束驱动布局 (35)4.1 预布局提取和仿真 (35)4.1.2 预布局拓扑提取分析 (37)4.1.3 执行反射仿真 (40)4.1.4 反射仿真测量 (42)4.2 设置和添加约束 (43)4.2.1 运行参数扫描 (43)4.2.2 为拓扑添加约束 (47)4.2.3 分析拓扑约束 (52)五、布线后仿真 (53)5.1 后仿真 (53)5.2反射仿真 (53)5.2.1 设置参数 (53)5.2.2指定要仿真的网络 (53)5.2.3 执行仿真 (55)5.3综合仿真 (57)5.4 串扰仿真 (57)5.5 Simultaneous Switching Noisie仿真 (57)5.6 多析仿真 (57)六、参考文献 (57)说明:本手册中的实例均采用Cadence SPB 16_2操作实现。
信号完整性是指信号在信号线上的质量。
信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候,具有所必需达到的电压电平数值。
差的信号完整性不是由某一因素导致的,而是由板级设计中多种因素共同引起的。
特别是在高速电路中,所使用的芯片的切换速度过快、端接元件布设不合理、电路的互联不合理等都会引起信号的完整性问题。
具体主要包括串扰、反射、过冲与下冲、振荡、信号延迟等。
信号完整性问题由多种因素引起,归结起来有反射、串扰、过冲和下冲、振铃、信号延迟等,其中反射和串扰是引发信号完整性问题的两大主要因素。
反射和我们所熟悉的光经过不连续的介质时都会有部分能量反射回来一样,就是信号在传输线上的回波现象。
此时信号功率没有全部传输到负载处,有一部分被反射回来了。
在高速的PCB中导线必须等效为传输线,按照传输线理论,如果源端与负载端具有相同的阻抗,反射就不会发生了。
如果二者阻抗不匹配就会引起反射,负载会将一部分电压反射回源端。
根据负载阻抗和源阻抗的关系大小不同,反射电压可能为正,也可能为负。
如果反射信号很强,叠加在原信号上,很可能改变逻辑状态,导致接收数据错误。
如果在时钟信号上可能引起时钟沿不单调,进而引起误触发。
一般布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素均会导致此类反射。
另外常有一个输出多个接收,这时不同的布线策略产生的反射对每个接收端的影响也不相同,所以布线策略也是影响反射的一个不可忽视的因素。
串扰是相邻两条信号线之间的不必要的耦合,信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。
因此也就把它分为感性串扰和容性串扰,分别引发耦合电流和耦合电压。
当信号的边沿速率低于1ns时,串扰问题就应该考虑了。
如果信号线上有交变的信号电流通过时,会产生交变的磁场,处于磁场中的相邻的信号线会感应出信号电压。
一般PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及信号线的端接方式对串扰都有一定的影响。
在Cadence 的信号仿真工具中可以同时对6条耦合信号线进行串扰后仿真,可以设置的扫描参数有:PCB的介电常数,介质的厚度,沉铜厚度,信号线长度和宽度,信号线的间距.仿真时还必须指定一个受侵害的信号线,也就是考察另外的信号线对本条线路的干扰情况,激励设置为常高或是常低,这样就可以测到其他信号线对本条信号线的感应电压的总和,从而可以得到满足要求的最小间距和最大并行长度。
利用基于电磁场分析的设计软件来选择和放置去耦电容用以能够减小电源和地之间的开关噪声。
高速PCB 板的电源信号完整性和地弹仿真随着信号边沿速率变得更快,今天的高速数字PCB 板设计者们遇到了几年前从未曾想到的问题。
在信号边沿速率小于1ns 时,PCB 板的电源/地层之间的电压会在整个层之间呈现不均匀分布状态,可能会影响供给集成芯片的电压,导致出现逻辑错误。
为了保证高速器件的正确运行,你必须排除电压的变化,保持正确的低阻供电路径。
为了达到这个目标,你必须放置去耦电容来减小高速信号在电源和地层之间产生的噪声。
因此,你必须知道需要使用的电容个数、电容大小和放置的位置。
因为你可能要根据电路板的实际情况加入大量的电容器,因此,这些细节可能成为决定板子设计成功与否的重要因素。
试凑是很耗时和代价昂贵的,经常导致过度设计,这会增加不必要的制造成本。
利用软件工具来分析和优化电路板设计和进行板的实时仿真,会提供一种更实用的方式来进行对多种可能使用电压板配置进行选择。
这篇文章利用Ansoft 的SIwave 软件阐述了用于光纤-光/宽带-无线网络的xDSM (密集-副载波-多路复用)板的这一过程,SIwave 软件是一种全波的,基于有限元法的仿真工具,它由一些设计工具中引入板图设计,如Cadence 的Allegro ,Mentor Graphics Board Station ,Synopsys Encore 和Zuken CR-5000 Board Designer 。
图1表示了在SIwave 中的电路板设计。
因为PCB 板的结构是平面的,SIwave 能够有效的进行深入分析。
输出参数包括了板的谐振、阻抗、所选网络的S 参数和spice 的模型。
图1xDSM 板的整个尺寸,也就是电源和地层的尺寸是2.711×in.(cm 3.1828×)。
电源和地层都采用了1.4mil 厚的铜层,它们之间被23.98mil 厚的介质衬底分开。
I T 技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald70随着现代科技的飞速发展,许多系统的工作频率很高,达到数百M H z甚至G H z,并且信号沿越来越陡,已经达到n s级别甚至更小。
如此高速的信号的切换对于P C B 设计者而言需要考虑到低频电路所不需要考虑的信号完整性问题,如延时,串扰,反射,地弹等。
本文拟借助传输线理论对D S P 最小系统板进行信号完整性仿真。
1 DSP最小系统介绍D S P 最小系统主要由D S P芯片,电源电路,复位电路,时钟电路,JATG 接口电路和外部存储器等部分构成,其结构框图如下:本文仿真分析的最小系统板采用型为T M S 320C 6713的D S P 芯片,外接存储器部分由F L A S H 芯片和S D R A M 存储器芯片共同组成。
其中D S P 芯片的最高主频可达300M H z,并且与外接存储器芯片进行高速数据传输。
所以必须对最小系统板进行信号完整性分析。
2 基于传输线理论的高速PCB布线分析P C B上的印制导线如果作为传输线设计的不够合理,根据不同的传输线模型在电路上可能会出现信号反射,延时,串扰,地弹等传输线效应。
根据传输线理论,通过综合分析各种传输线效应产生原理,可得出相应的布线方法规避传输线效应。
2.1 减少反射的布线方法当信号传输路径上特征阻抗不连续时,就会有信号反射发生。
反射会造成诸如过冲,下冲,振铃等信号失真的现象,从而引起信号完整性的问题。
由于反射产生的根本原因是传输路径上阻抗不连续,我们一般采取端接阻抗的方法达减少信号的反射。
其中常见的端接阻抗方法有串联端接和并联端接。
串联端接是在靠近输出端位置串接一个电阻,端接的电阻和输出端的阻抗总和应该与传输线的特征阻抗Z 0相等。
该方案消除了驱动端的二次反射,且不受接收端负载变化的影响。
但是由于端接电阻的分压,线路上传输的电压仅仅为驱动电压的一半,不能驱动分布式负载。
基于Cadence Allegro SI 16.3的信号完整性仿真信号完整性是指信号在信号线上的质量。
信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候,具有所必需达到的电压电平数值。
差的信号完整性不是由某一因素导致的,而是由板级设计中多种因素共同引起的。
特别是在高速电路中,所使用的芯片的切换速度过快、端接元件布设不合理、电路的互联不合理等都会引起信号的完整性问题。
具体主要包括串扰、反射、过冲与下冲、振荡、信号延迟等。
信号完整性问题由多种因素引起,归结起来有反射、串扰、过冲和下冲、振铃、信号延迟等,其中反射和串扰是引发信号完整性问题的两大主要因素。
反射和我们所熟悉的光经过不连续的介质时都会有部分能量反射回来一样,就是信号在传输线上的回波现象。
此时信号功率没有全部传输到负载处,有一部分被反射回来了。
在高速的PCB中导线必须等效为传输线,按照传输线理论,如果源端与负载端具有相同的阻抗,反射就不会发生了。
如果二者阻抗不匹配就会引起反射,负载会将一部分电压反射回源端。
根据负载阻抗和源阻抗的关系大小不同,反射电压可能为正,也可能为负。
如果反射信号很强,叠加在原信号上,很可能改变逻辑状态,导致接收数据错误。
如果在时钟信号上可能引起时钟沿不单调,进而引起误触发。
一般布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面的不连续等因素均会导致此类反射。
另外常有一个输出多个接收,这时不同的布线策略产生的反射对每个接收端的影响也不相同,所以布线策略也是影响反射的一个不可忽视的因素。
串扰是相邻两条信号线之间的不必要的耦合,信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。
因此也就把它分为感性串扰和容性串扰,分别引发耦合电流和耦合电压。
当信号的边沿速率低于1ns时,串扰问题就应该考虑了。
如果信号线上有交变的信号电流通过时,会产生交变的磁场,处于磁场中的相邻的信号线会感应出信号电压。
一般PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及信号线的端接方式对串扰都有一定的影响。
PCBSI信号完整性之反射仿真一、IBIS模型的获取a) 直接找芯片供应商b) 从网上下载i.到Google网站直接搜索某个型号的IBIS模型;ii. 到器件厂商的官方网站下载;iii.从专门提供IBIS模型的网站搜索下载。
c) 仿真器件的SPICE 模型或直接测量二、IBIS模型的转化过程将模型的IBIS格式转化为DML格式,可以使用Allegro自带的Model Integrity.一般有两种方式打开此软件:1、在SPECCTRAQuest下,点击Tools->Model Integrity;2、在Allegro目录下,Model Integrity作为单独的软件存在,只要点下即可。
然后,选择File->Open,打开已经获得的IBIS模型,可同时打开多个芯片的IBIS模型,其界面如下图所示:只要打开IBIS模型,在输出窗口的Parse Messages里,会自动显示关于此模型的错误和警告信息,具体如下图所示:此界面的右下角,如下图所示的方框,可在方框里输入提示错误的行,然后点击左边的,则跳转到该行,进行修改。
对于警告信息,可以不用理会,现在绝大多数的IBIS模型都或多或少有警告信息。
如果想观察模型的波形,可如下图所示进行操作。
也可在选中任一IOCell模型,直接点快捷按钮。
具体操作如下图所示:之后,出现的波形如下图所示:当模型的语法错误修改完毕后,可右击该模型,选择IBIS to DML,如下图所示:若此步可以完成,说明成功转化为DML格式。
保存转化为DML格式的方件,最好把需要用到的DML文件放在同一文件夹里。
此时,可以关闭Model Integrity.三、IBIS模型的注意事项1、确认IBIS模型里PIN的名称与原理图及PCB图的PIN名称一致,特别是对于PGA封装的IC。
例如HI3520芯片,原理图上有一PIN为AM9,而其IBIS模型的名称为AM09,则命名不一致。
这种情况可以转化为DML格式,但在后续仿真中,其模型不能正确被加载。
allegro_PCB_SI仿真IntroductionAllegro PCB SI仿真可以帮助人们在设计PCB 电路板时进行信号完整性仿真,以验证电路设计的有效性和稳定性。
这个工具是Cadence 公司的Allegro 系列产品中的一个,它可以让我们对PCB 电路板进行模拟分析,发现布线中的信号完整性问题,并接下来进行优化,从而得到更好的结果。
下面我们来详细讲解一下Allegro PCB SI仿真的使用。
功能与特点Allegro PCB SI仿真工具主要有以下功能和特点:1. 电路适配性:根据实际电路接口,自动生成仿真模型,无须手工绘制,可节省大量时间和精力。
2. 建模精度:采用仿真模型进行仿真分析,模型的建立过程和仿真数据的处理过程均达到高精度的要求。
3. 可视化展示:提供直观、易于理解的仿真结果图像,用户可对仿真结果进行直观的分析和判断。
4. 高效优化:在分析结果的基础上,提供了一系列可行性方案,以便优化布局和电路设计,提高设计质量和效率。
5. 多维度仿真:支持多种仿真方式,可以分析不同工作频率、物理层、仿真类型等多种因素的影响。
6. 构建模块化:支持多种最新技术,如DDR、PCIe等,可实现模块化的仿真分析。
使用步骤Allegro PCB SI仿真的使用步骤如下:1. 在Allegro 设计工具中添加SI 仿真属性:在Allegro 中进行PCB 设计工作的人员首先需要添加SI 仿真属性。
这时需要使用Allegro constraint manager 工具,在其中添加SI 属性和控制器约束等信息。
Allegro SI 分析扫描过程会依据这些信息实现电路仿真。
2. 运行Allegro SI 分析:电路设计人员在完成电路布线后,需要使用Allegro SI 分析来分析信号完整性情况,以发现和解决可能存在的电路问题。
执行步骤为:首先选择si_analysis 工具,在其菜单中选择指定布线仿真设置;然后在仿真window 中选择仿真起点、仿真长度等参数,然后点击Run。
一、IBIS模型的获取a) 直接找芯片供应商b) 从网上下载i.到Google网站直接搜索某个型号的IBIS模型;ii. 到器件厂商的官方网站下载;iii.从专门提供IBIS模型的网站搜索下载。
c) 仿真器件的SPICE 模型或直接测量二、IBIS模型的转化过程将模型的IBIS格式转化为DML格式,可以使用Allegro自带的Model Integrity.一般有两种方式打开此软件:1、在SPECCTRAQuest下,点击Tools->Model Integrity;2、在Allegro目录下,Model Integrity作为单独的软件存在,只要点下即可。
然后,选择File->Open,打开已经获得的IBIS模型,可同时打开多个芯片的IBIS模型,其界面如下图所示:只要打开IBIS模型,在输出窗口的Parse Messages里,会自动显示关于此模型的错误和警告信息,具体如下图所示:此界面的右下角,如下图所示的方框,可在方框里输入提示错误的行,然后点击左边的,则跳转到该行,进行修改。
对于警告信息,可以不用理会,现在绝大多数的IBIS模型都或多或少有警告信息。
如果想观察模型的波形,可如下图所示进行操作。
也可在选中任一IOCell模型,直接点快捷按钮。
具体操作如下图所示:之后,出现的波形如下图所示:当模型的语法错误修改完毕后,可右击该模型,选择IBIS to DML,如下图所示:若此步可以完成,说明成功转化为DML格式。
保存转化为DML格式的方件,最好把需要用到的DML文件放在同一文件夹里。
此时,可以关闭Model Integrity.三、IBIS模型的注意事项1、确认IBIS模型里PIN的名称与原理图及PCB图的PIN名称一致,特别是对于PGA封装的IC。
例如HI3520芯片,原理图上有一PIN为AM9,而其IBIS模型的名称为AM09,则命名不一致。
这种情况可以转化为DML格式,但在后续仿真中,其模型不能正确被加载。
2、一般不要改动模型里的Model Type,若Model Type与仿真冲突,可通过修改PIN Type或寻找相差不多的模型替代。
3、若想深入理解仿真机理及解决在后续仿真中出现的问题,一定要比较全面的理解IBIS模型,因为在以后出现的问题中,很大一部分是IBIS模型问题。
一、打开BRD文件打开PCB SI,启动Cadence Product Choices界面,如图1-1所示,一般我们选择Allegro PCB SI630(SPECCTRAQuest),具体如下图所示:接着,选择File->Open,打开所要仿真的BRD文件,此时,出现下图所示界面:二、模型库添加在SPECCTRAQuest界面下,点击Analyze->SI/EMI Sim下的Library,. 添加模型的DML格式文件,如下图所示:添加完成后,点击OK按钮。
三、叠层的设置点击Setup->Cross-section,进行叠层的设置,其界面如下图所示:参数设置好了之后,点击该窗口左下角的OK按钮关闭Layout Cross Section 窗口,这样叠层就设置完毕。
注:上图的Impedance 列表不必输入,它是根据前面输入的介质厚度、线宽和铜厚自动计算出来的,我们每改动一个参数的时候,按一下键盘的Tab 键,Impedance 值就会动态的改变,这样也可以验证PCB 加工厂家提供的叠层参数是否正确。
通常计算出的阻抗值与期望值只要差别不是太大,我们都认为其是正确的,因为每个PCB 加工厂家的工艺水平不同,实际生产出的PCB 的阻抗值与Cadence 理论计算出来的阻抗值肯定是有一定的偏差的。
四、电源层的设置点击Logic->Identify DC Nets,出现如下图所示界面:对于仿真中不涉及到的电源网络可以不进行设置,但如果你对芯片所接的网络不是很清楚,那么建议把所有DC网络的电平值都输入。
五、元件模型分配点击Analyze->SI/EMI Sim->Model,其界面如下图所示:对于阻容类的元件,一般是需要自已创建模型的,而IC类器件则是为其分配现有的模型。
a) 排阻模型的加载点击Creat Model,出现如下图所示界面:点击OK,出现下图所示界面:点击OK完成创建后,可以在图3-4的界面上点击Edit Model,对模型进行编辑,具体如下图所示:对于阻容类的其它元件,创建过程与之类似,故不再赘述b) IC模型的加载选择Find Model,出现如下图所示界面:配制好模型后,点击Close,OK,完成配置。
六、网络的检查当为各个器件分配完模型后,有必要对其进行检查。
具体可通过如下步骤实现。
a) 模型分配情况检查点击Analyze,->SI/EMI Sim->Audit,再选择Net Audit.出现如下图所示界面:点击Audit selected net,出现如下图所示的报告:网络的检查,可分单根信号线和一组信号线。
在具体的仿真中,可先设置一组信号,对其检查,如果发现该组有错误或警告信息,再通过这些信息,对照原理图,确定有问题的网络,再对其进行检查。
这样,比单一网络逐根仿真效率要高些。
如下所示,为创建一组网络的过程。
点击Logic,选择Creat List of Nets,如下图所示:此后的操作步骤之上面类似。
对于叠层、电源层、模型分配及网络检查,也可能过如下设置一步步的实现。
点击Tools->Setup Advisor,出现如下图所示界面:按照上图所示的步骤一步步的做,最后也可以完成上述相关的设置。
b) Class 属性检查在SPECCTRAQuest下,选择Logic->Parts List,进入下图所示界面:对于IC类元件,Class属性为IC。
对于阻容类元件,Class属性为DISCRETE。
对于连接器,Class属性为IO。
c) Pin属性检查选择Logic->Pin Type,如下图所示:注:对于IBIS模型里定义管脚Type为BI,则可在此改为IN或OUT;若IBIS模型里定义管脚Type为OUT,则在此不能改为BI,否则在后续仿真中会出错。
即在此页面下,只能把管脚的Type属性范围改小,不能变大。
七、其它参数的设置点击Analyze->SI/EMI Sim->Preferences,在Simulation下,如下图所示:Pulse cycle count:通过指定系统传输的脉冲数目来确定仿真的持续时间。
Pulse Clock Frequency:确定仿真中用来激励驱动器的脉冲电压源的频率。
Pulse Duty cycle:脉冲占空比。
一般芯片取0.5。
Pulse/Step offset:脉冲偏移量,用来控制主网络驱动器与相邻网络驱动器之间的激励时间差。
如果该值为正,则相邻网络驱动器在主网络驱动器之后产生激励。
Fixed Duration:指定仿真的持续时间长度。
如果该值未确定,则仿真器动态的为每一次仿真选择时长。
当该值确定时,仿真运行的时间就为该项中所确定的固定时间长度。
此项值的大小与波形文件的大小成正比。
Waveform Resolution(Time):波形分辨率,决定仿真过程中产生波形的采样数据点的多少。
Run Simulation in Debug mode:当选择该模式时,在仿真前仿真器会执行该网络的正确性检查,在检查通过后才进行仿真。
在DevicesModels下,如下图所示:Buffer Delays 缓冲器延时选择。
From library 是从库中获取;On-the-fly 是根据测试负载的参数计算出Buffer Delay 曲线;No Buffer Delay 不考虑缓冲延时。
在实际应用时,我们均是通过器件的DATASHEET 查出测试条件由软件自动计算出Buffer Delay 曲线,因此该项通常设为On-the-fly.在InterconnectModels下,如下图所示:Unrouted Interconnect Models 组合框(对于PCB 板中未连线的信号,采用以下参数):Percent Manhattan:设定未连接的传输线的曼哈顿距离的百分比,缺省为100%。
Default Impedance:设定传输线特性阻抗,默认为60ohm。
Default Prop Velocity:默认传输速度。
Routed Interconnect Models 组合框(对于PCB 板中已连线信号,采用以下参数):Cutoff Frequency:表明互连线寄生参数提取所适应的频率范围,缺省为0GHz。
在对IBIS的PACKEG 等寄生参数进行RLGC 矩阵提取时,为了不考虑频率的影响将截止频率设为0,此时的矩阵不依赖于频率,并且提取速度较快,但精度稍差。
当设置了截止频率后,RLGC 矩阵将是综合矩阵,它将基于频率的参数影响,考虑了频率参数影响的RLGC 矩阵具有较高的精度,但提取速度较慢。
如果对该值设置,一般建议设置该值不要超过时钟频率的三倍。
Shap Mesh Size:表明将线看成铜皮的边界尺称范围,即标明作为场分析的最大铜箔尺寸。
如果线宽大于这个尺寸值,则使用封闭形式公式进行模型提取,缺省为50mil。
Via Modeling:表明所采用的过孔模型。
Fast Closed Form:场模拟程序实时产生一个过孔子电路而并没有建立一个近似的RC 电路,这样节省了仿真时间,但没有使用模型那么准确。
Ignore Via:忽略过孔的影响。
Detailed Closed Form:在互连模型库中寻找相近似的过孔模型,如果没有合适的模型,则由场模拟程序产生一个由近似RC 矩阵组成的过孔模型并存储在模型库中。
Diffpair Coupling Window:差分对耦合窗口,表明用来定位差分对相邻网络的基于最小耦合长度的研究窗口的尺寸,缺省值为100 mils。
Topology ExtractionDifferential Extraction Mode:当选中时,规定差分网络只能被当作一对线提取。
当不选时,差分网络能单独地提取。
Diffpair Topology Simplification :差分拓朴的简化模式,规定首先用提取拓朴的所有耦合路径的最小距离计算,然后不平衡的最大长度为这个最小距离的几倍(默认为8)在SPECCTRAQuest下,选择Analyze->SI/EMI sim->Probe,进入如下图所示界面:注:BRD文件命名不用使用中文字符及一些不常用的字符,如".",最好只使用字母,数字和下划线的组合。