10 信号完整性仿真分析模型

信号完整性仿真流程
信号完整性仿真是一种通过计算机辅助工程(CAE)软件模拟电子系统中信号质量的过程，主要关注的是高速数字信号在传输过程中受到的各种干扰对信号质量的影响。

简要流程如下：
1. 模型建立：根据设计需求，创建电路板、连接器、电缆等模型，并定义元器件参数及互连结构。

2. 设置边界条件：设定电源网络、信号激励（如上升沿、下降沿、数据眼图等）、负载条件等边界条件。

3. 选择仿真类型：进行瞬态仿真分析信号时域行为，如延时、振铃、过冲等；进行频域仿真分析信号频谱特性，如插入损耗、串扰、反射系数等。

4. 执行仿真：运行仿真软件，计算并输出仿真结果，如眼图、时序图、S参数等。

5. 结果分析：解读仿真结果，评估信号完整性是否满足设计要求，如是否满足建立保持时间、是否存在严重的噪声干扰或信号衰减等。

6. 优化设计：根据仿真结果对设计方案进行优化调整，如调整布线拓扑、添加端接电阻、优化电源/地平面布局等，然后再进行仿真验证，直至满足信号完整性要求。

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。

用于集成电路信号完整性分析的仿真方法摘要：随着集成电路技术的飞速进步，信号完整性分析变得越来越重要。

信号完整性分析是指为保证信号在设计预期的时间内到达目标点并保持一定的质量的过程。

为了达到这个目标，需要对电路中的信号进行仿真分析，以发现和解决潜在的信号完整性问题。

本文介绍了现代集成电路信号完整性分析的观点和仿真方法，包括电源噪声分析、阻抗匹配与反射分析、时序分析等。

同时，本文还简要探讨了仿真工具的应用和通用电路设计流程。

关键词：集成电路；信号完整性；仿真方法；电源噪声；阻抗匹配；反射分析；时序分析；仿真工具；通用电路设计流程。

I. 前言随着集成电路技术的不息进步，目前的芯片集成度已高达几十亿个，更多的器件被集成在一个芯片上。

在此背景下，当信号在IC晶片上传播时，信号完整性的问题变得越来越重要。

信号完整性意味着信号在设计预期的时间内到达目标点并保持一定的质量。

实现这个目标需要进行电路参数仿真，以确保在设计中不会出现潜在的信号完整性问题。

本文将介绍，这些方法包括电源噪声分析、阻抗匹配与反射分析、时序分析等。

本文将还将简要讲解仿真工具的应用和通用电路设计流程。

II. 信号完整性观点信号完整性是指保证信号在设计预期的时间内到达目标点并保持一定的质量的过程。

信号完整性是集成电路设计的重要思量因素之一，因为信号完整性问题的出现可能会使电路失效，导致重大影响。

当信号在IC晶片上传播时，一些传输媒介效应、耦合效应、意外反射和其他一些信号完整性问题往往会导致信号完整性失效。

III.随着集成电路技术的不息进步，信号完整性分析的仿真方法也越来越成熟。

下面将介绍现代集成电路信号完整性分析的主要仿真方法。

1. 电源噪声分析电源噪声是指由于电源电压的不纯净引起的电路中的噪声。

在IC设计中，电源噪声可能会对信号完整性产生多种不良影响，例如振荡、时序偏移、电压饱和等。

为了检测和纠正这些问题，需要进行电源噪声仿真分析。

2. 阻抗匹配与反射分析阻抗匹配和反射分析是集成电路设计中分外重要的模拟分析方法。

五款信号完整性仿真分析工具1. HyperLynx Signal Integrity (SI) - HyperLynx SI是一款强大的信号完整性仿真工具，可用于设计和分析高速电路板中的信号完整性问题。

它可以对电路板进行仿真，包括信号传输、阻抗匹配、信号的波形、抖动、时钟信号和纹波等方面的分析。

HyperLynx SI还具有强大的分析和优化功能，可以帮助用户更好地理解和解决信号完整性问题。

2. Cadence Sigrity PowerSI - Cadence Sigrity PowerSI是一款专注于高速电路板的信号完整性仿真分析工具。

它可以对电路板中的电源和接地网络进行建模和仿真，以帮助设计人员识别和解决电源噪声和接地回路问题。

PowerSI还可以对信号传输线进行建模和仿真，以分析信号的波形、纹波和抖动等方面的问题。

3. Keysight Advanced Design System (ADS) - ADS是一套综合性的电子设计自动化(EDA)工具，其中包含了强大的信号完整性仿真分析功能。

ADS可以对高速电路板进行信号传输线建模和仿真分析，包括传输线的传输特性、阻抗匹配、波形纹波和互连信号完整性等方面。

它还提供了多种信号完整性分析工具，帮助用户进行电路设计和优化。

4. Ansys SIwave - Ansys SIwave是一款专注于电路板和芯片封装的信号完整性仿真工具。

它可以对高速信号传输线进行建模和仿真，包括分析信号的波形、纹波、抖动和互连信号完整性等方面的问题。

SIwave 还具备电源和地线分析功能，以帮助设计人员解决电源噪声和接地回路问题。

5. Mentor Graphics HyperLynx DRC - HyperLynx DRC是一款专注于检测和解决高速电路板信号完整性问题的仿真工具。

它可以对电路板进行布线规则检查，并自动识别和修复可能引起信号完整性问题的布线错误。

HyperLynx DRC还可以进行交叉耦合分析、时钟分析和时域电压纹波分析等方面的仿真。

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。

计算机硬件设计中的信号完整性仿真与分析在计算机硬件设计中，信号完整性仿真与分析起着至关重要的作用。

随着通信速度和数据量的不断增加，设计师需要更加准确地评估信号传输的可靠性，以确保系统的性能和稳定性。

本文将介绍计算机硬件设计中的信号完整性仿真与分析的重要性，并探讨一些常用的方法和工具。

一、引言在计算机硬件设计中，信号完整性是指在信号传输过程中保持信号波形的准确性和稳定性。

由于信号传输路径中存在各种干扰和失真因素，如信号反射、串扰、时序偏差等，这些因素可能导致信号波形的失真，进而影响系统的功能和性能。

因此，设计师需要进行信号完整性仿真与分析，以评估系统中信号的稳定性并优化设计。

二、信号完整性仿真与分析的重要性1. 确保系统的稳定性和可靠性：通过信号完整性仿真与分析，设计师可以在设计阶段发现和解决潜在的信号完整性问题，以确保系统在实际应用中的稳定性和可靠性。

2. 避免信号失真和性能下降：信号的失真可能导致数据传输错误、时序偏差和性能下降等问题。

通过仿真与分析，设计者可以识别和解决导致信号失真的因素，并优化设计以提高系统的性能。

3. 降低开发成本和时间：通过在设计阶段进行仿真与分析，设计者可以在物理样品制造之前发现和解决问题，从而减少重复设计和制造的成本，并缩短开发周期。

三、信号完整性仿真与分析的方法1. 时域仿真：时域仿真是一种常用的仿真方法，通过模拟信号在时间轴上的波形变化来评估信号的传输特性。

设计师可以使用时域仿真工具，如SPICE、HSPICE等，来模拟和分析信号波形的波速、上升时间、下降时间等参数。

2. 频域仿真：频域仿真是一种基于信号频谱特性的仿真方法，通过分析信号的频域特性来评估信号的传输质量。

设计师可以使用频域仿真工具，如ADS、HFSS等，来分析信号的频率响应、频谱线宽、噪声等参数。

3. 边界条件仿真：边界条件仿真是一种重要的仿真方法，可以模拟信号在不同边界条件下的传输特性。

设计师需要使用合适的边界条件来模拟实际应用中的信号传输环境，并评估信号的完整性。

信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计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的性能时，如果指定不同的收发参考端口，就要用不同的指标来描述信号还原程度。

通常情况下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，主要使用上升/下降及保持时间等指标来描述信号还原程度。

当指定的参考收发端口是信道编码器输入端及解码器输出端时，就要用误码率来描述信号还原程度。

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，对于同一系统中的同一个器件，如果指定的端口不同，那么对正常工作的电源要求也不同。

通常情况下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，此时该芯片的手册中应给出该端口处的相应指标，常用的有纹波大小或电压最大偏离范围。

一个典型背板信号传输的系统示意图如图1所示。

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。

在设计时，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。

但是，由于这些支撑与互联结构会对电信号的传输呈现出一定的频率选择性衰减，因此，会对信号及电源的完整性产生影响。

同时，在相同的传输环境下，不同传输协议及不同数据内容的表达方式具有不同的适应能力，因此，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。

图1 背板信号传输的系统示意图版图完整性问题、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。

这种层叠平板结构可以由3类元素组成：正片结构、负片结构及通孔。

正片结构有时也被称为信号层，该层上的走线大多为不同逻辑连接的信号线或离散的电源线，在制版光刻中所有的走线都会以相同图形的方式出现；负片结构有时也被称为平面层(细分为电源平面层和地平面层)，该层上基本是相同逻辑的一个或少数几个连接(通常是电源连接或地连接)，用大面积敷铜的方式实现，在光刻工艺中用相反图形来表示；通孔用来进行不同层之间的物理连接。

信号模型仿真分析1．信号模式将含有信息的数字信号从一点正确地传递到另一点(Signaling),是数字系统设计中的重要环节,信号模式包括驱动端(将每个数字比特位译码并量化为电压或电流)、传输介质及接收端(将接收到的模拟信号再还原为数字信号)三部分(图1)。

这三个部分有不同的设计要求。

驱动端设计包括输出阻抗、信号摆率、发送信号功率以及信号带宽等方面，其中输出阻抗是驱动器设计的重要指标。

高阻输出提供电流驱动模式而低阻输出提供电压驱动模式，电流驱动与电压驱动相比可以较好地隔离本地供电电源，因而能够减小电源噪声的影响。

传输介质包括封装管脚、PCB连线、同轴缆等，为信号传递提供一定带宽的传输路径。

在接收端设计中主要考虑如何提供接收参考，例如从接收端电源获得还是由发送端提供。

目前已有多种信号接口标准（图2），例如LVTTL、PECL、LVDS、CML等，其中LVTTL、PECL 为电压驱动模式,LVDS为电流驱动模式，它们的电平阈值、信号摆率均不相同。

随着接口频率的提高及互连复杂度增加，还在不断设计或改良收发电路。

在某种程度上，信号模式的选择和性能决定了系统的可靠性、速度和功耗，已成为数字系统设计的重要内容。

2．信号传输及分析数字信号属于广谱信号，根据傅里叶分析，其中包含丰富的高频分量，通常取截止带宽为BW=0.35/Tr。

信号传输本质上是电磁场能量的传输过程，可以根据输入信号的频率特性判断传输时的工作状态。

频率较低时，电路体现出集总参数特性，电压或电流传播满足电动势作用下的电流规律，可以根据欧姆定律和基尔霍夫定律进行分析。

在频率较高时，例如当工作波长和线长度可比拟时，信号以行波方式传播，行波的能量形式体现为电磁波形式，且在导体引导下传播。

工作频率更高时，电磁波能量形式也更为明显，能量以波导或辐射方式传播。

在集总参数电路和微波领域之间是信号完整性分析所关注的地方(但没有明确的界限)。

此时信号以TEM方式传播,连线呈现传输线特性,可用分布参数(RLGC)或者S参数描述。

高速数字电路及系统的信号完整性分析与实例仿真例1：10Gb/s 串行通道设计例/串行通道设计该实例来自Ansoft worldwide technical workshops10Gb/s 串行通道设计3输出信号眼图输入信号眼图基于Virtex-II Pro FPGA设计，分析10Gb/s 的串行通道10Gb/s 的串行通道示意图10Gb/s 串行通道对应的模型图HFSS封装建模。

红线为S21，蓝线为S11。

建模有微带线和带状线两种传输线，通过过孔转换。

Designer微带线建模。

红线为S21，蓝线为S11。

Stripline Modelsdesigner带状线part1到part6建模，HFSS带状线part7建模。

红线为S21，蓝线为S11。

HFSS差分过孔建模。

红线为S21，蓝线为S11。

差分过孔建模红线为蓝线为HFSS SMA转接头建模。

红线为S21，绿线为S11。

微带线带状线SMA接头封装差分过孔分孔带状线Designer全通道建模。

该通道包括：封装、微带线、差分过孔、带状线和SMA接头。

S 群延时参数红线为S21，蓝线为S11Designer 全通道频域分析Designer全通道时域分析仿真眼图测试眼图Designer全通道时域分析，仿真值与测试值一致仿真图测试图Designer全通道时域分析，仿真值与测试值一致例2：高速互连通道场路协同仿真该实例来自教材《ANSYS信号完整性分析与仿真实例》P452 to P510P452t P51020《ANSYS信号完整性分析与仿真实例》例2：高速互连通道场路协同仿真该实例来自教材《ANSYS信号完整性分析与仿真实例》P452 toP51021高速互连通道•高速互连通道由Flipchip封装、带状传输线、差分高速连通道由封装带状传输线差分过孔、SMA 连接器组成高速互连通道示意图1Flipchip 1 Flipchip封装•AnsoftLinks 与HFSS 协同仿真Flipchip 封装¾建模窗建在AnsoftLinks 窗口建立新文件打开从AnsoftLinks 导出的HFSS 设计文件1 Flipchip封装1Flipchip¾仿真传输系数反射系数创建S 参数报告绘制S 参数图2SMA2 SMA 连接器•HFSS 对SMA 连接器建模HFSS SMA¾建模SMA 连接器在HFSS 中的建模2 SMA 连接器2SMA¾仿真传输系数反射系数SMA 连接器的S参数设置33 差分过孔•HFSS 对差分过孔建模HFSS¾建模差分过孔在HFSS 中的建模3传输系数3差分过孔¾S 参数仿真反射系数差分过孔的S 参数差分过孔的近场图44 带状传输线•Q3D 提取差分Stripline寄生参数Q3D S i li¾建模差分带状线模型与模型参数44 带状传输线¾仿真线宽、间距与阻抗的关系图55 高速互连通道的系统级仿真•Designer 对整个高速互连通道进行系统仿真对整个高速连通道进行系统仿真¾建模Flipchip 封装差分线Stripline差分过孔SMA 连接器Fli hi SMA模型调入Designer 进行系统仿真55 高速互连通道的系统级仿真¾S参数仿真传输系数反射系数通过S参数图可知：传输特性在6GHz -2dB，反射系数小于-10dB。

１引言现在的高速数字系统的时钟频率可能高达数百兆赫兹，其快斜率瞬变和极高的工作频率，以及很大的电路密集度，必将使得系统表现出与低速设计截然不同的行为，出现了信号完整性问题。

破坏信号完整性将直接导致信号失真、定时错误，以及产生不正确的数据、地址和控制信号，从而造成系统误工作甚至导致系统崩溃，因此印刷电路板布线前的仿真显得非常重要。

２信号完整性信号完整性（ＳｉｇｎａｌＩｎｔｅｇｒｉｔｙ，简称ＳＩ）是指信号线上的信号质量。

差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。

主要的信号完整性问题包括反射、振铃、地弹、串扰等。

源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部分电压反射回源端。

如果负载阻抗小于源端阻抗，反射电压为负；反之，如果负载阻抗大于源端阻抗，反射电压为正。

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的变化均会导致此类反射。

信号的振铃和环绕振荡由线上过度的电感和电容引起，振铃属于欠阻尼状态而环绕振荡属于过阻尼状态。

信号完整性问题通常发生在周期信号中，如时钟等。

振铃和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的，振铃可以通过适当的端接予以减小，但是不可能完全消除。

在电路中有大的电流涌动时会引起地弹。

振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象，串扰则是由同一ＰＣＢ板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为二线系统。

串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。

容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引发耦合电压。

ＰＣＢ板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。

表１列出了高高速电路中的信号完整性及仿真张磊，唐继勇，杨峰（电子科技大学自动化工程学院，四川成都６１００５４）摘要：在高速印刷电路板设计过程中，高速电路设计的仿真显示出越来越重要的地位。

利用仿真分析的方法，可以在ＰＣＢ制作之前尽可能发现并解决隐藏的信号完整性和电磁兼容性问题，最大限度地减小产品设计失败概率，提高电路系统工作可靠性。