高速PCB设计中信号完整性的仿真与分析经验

DDR3内存的PCB仿真与设计

本文主要使用时域分析工具对DDR3设计进行量化分析，介绍了影响信号完整性的主要因素对DDR3进行时序分析，通过分析结果进行改进及优化设计。 1 概述当今计算机系统DDR3存储器技术已得到广泛应用，数据传输率一再被提升，现已高达1866Mbps。在这种高速总线条件下，要保证数据传输质量的可靠性和满足并行总线的时序要求，对设计实现提出了极大的挑战。本文主要使用了Cadence公司的时域分析工具对DDR3设计进行量化分析，介绍了影响信号完整性的主要因素对DDR3进行时序分析，通过分析结果进行改进及优化设计，提升信号质量使其可靠性和安全性大大提高。 2 DDR3介绍 DDR3内存与DDR2内存相似包含控制器和存储器2个部分，都采用源同步时序，即选通信号(时钟)不是独立的时钟源发送，而是由驱动芯片发送。它比DR2有更高的数据传输率，最高可达1866Mbps；DDR3还采用8位预取技术，明显提高了存储带宽；其工作电压为1.5V，保证相同频率下功耗更低。 DDR3接口设计实现比较困难，它采取了特有的Fly-by拓扑结构，用“Write leveling”技术来控制器件内部偏移时序等有效措施。虽然在保证设计实现和信号的完整性起到一定作用，但要实现高频率高带宽的存储系统还不全面，需要进行仿真分析才能保证设计实现和信号质量的完整性。 3 仿真分析对DDR3进行仿真分析是以结合项目进行具体说明：选用PowerPC 64位双核CPU 模块，该模块采用Micron公司的MT41J256M16HA—125IT为存储器。Freescale 公司P5020为处理器进行分析，模块配置内存总线数据传输率为1333MT/s，仿真频率为666MHz。 3.1仿真前准备在分析前需根据DDR3的阻抗与印制板厂商沟通确认其PCB的叠层结构。在高速传输中确保传输线性能良好的关键是特性阻抗连续，确定高速PCB信号线的阻抗控制在一定的范围内，使印制板成为“可控阻抗板”，这是仿真分析的基础。DDR3总线单线阻抗为50Ω，差分线阻抗为100Ω。设置分析网络终端的电压值；对分析的器件包括无源器件分配模型；确定器件类属性；确保器件引脚属性(输入＼输出、电源＼地等)……

五款信号完整性仿真工具介绍

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。 (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)SPECCTRAQuest Cadence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。 SPECCTRAQuest是CADENCE公司提供的高速系统板级设计工具，通过它可以控制与PCB layout相应的限制条件。在SPECCTRAQuest菜单下集成了一下工具：（1）SigXplorer可以进行走线拓扑结构的编辑。可在工具中定义和控制延时、特性阻抗、驱动和负载的类型和数量、拓扑结构以及终端负载的类型等等。可在PCB详细设计前使用此工具，对互连线的不同情况进行仿真，把仿真结果存为拓扑结构模板，在后期详细设计中应用这些模板进行设计。（2）DF/Signoise工具是信号仿真分析工具，可提供复杂的信号延时和信号畸变分析、IBIS 模型库的设置开发功能。SigNoise是SPECCTRAQUEST SI Expert和SQ Signal Explorer Expert进行分析仿真的仿真引擎，利用SigNoise可以进行反射、串扰、SSN、EMI、源同步及系统级的仿真。（3）DF/EMC工具——EMC分析控制工具。（4）DF/Thermax——热分析控制工具。 SPECCTRAQuest中的理想高速PCB设计流程：由上所示，通过模型的验证、预布局布线的space分析、通过floorplan制定拓朴规则、由规

于博士信号完整性分析入门-初稿

于博士信号完整性分析入门于争博士 https://www.360docs.net/doc/1a12165629.html, 整理:runnphoenix

什么是信号完整性? 如果你发现，以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了，同样的设计，以前没问题，可是现在却无法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件设计中最核心的问题：信号完整性。早一天遇到，对你来说是好事。在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常几个ns。器件间的互连线不至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。但在今天的高速时代，随着IC输出开关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，1.2v内核电压已经很常见了。因此系统能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。广义上讲，信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题，它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后，如何影响到产品性能的问题。主要表现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。信号完整性问题的根源在于信号上升时间的减小。即使布线拓扑结构没有变化，如果采用了信号上升时间很小的IC芯片，现有设计也将处于临界状态或者停止工作。下面谈谈几种常见的信号完整性问题。反射：图1显示了信号反射引起的波形畸变。看起来就像振铃，拿出你制作的电路板，测一测各种信号，比如时钟输出或是高速数据线输出，看看是不是存在这种波形。如果有，那么你该对信号完整性问题有个感性的认识了，对，这就是一种信号完整性问题。很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻，至于为什么，他们中很多人都说不清楚，他们会说，很多成熟设计上都有，照着做的。或许你知道，可是确实很多人说不清这个小小电阻的作用，包括很多有了三四年经验的硬件工程师，很惊讶么?可这确实是事实，我碰到过很多。其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题。而且随着电阻的加大，振铃会消失，但你会发现信号上升沿不再那么陡峭了。这个解决方法叫阻抗匹配，奥，对了，一定要注意阻抗匹配，阻抗在信号完整性问题中占据着极其重要的

今天终于弄懂了PCB高速电路板设计的方法和技巧

[讨论]今天终于弄懂了PCB高速电路板设计的方法和技巧受益匪浅啊电容, 最大功率, 技巧高速电路设计技术阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，并且得到最大功率输出的一种工作状态。高速PCB布线时，为了防止信号的反射，要求线路的阻抗为50Ω。这是个大约的数字，一般规定同轴电缆基带50Ω，频带75Ω，对绞线则为100Ω，只是取整数而已，为了匹配方便。根据具体的电路分析采用并行AC端接，使用电阻和电容网络作为端接阻抗，端接电阻R要小于等于传输线阻抗Z0，电容C必须大于100pF，推荐使用0.1UF的多层陶瓷电容。电容有阻低频、通高频的作用，因此电阻R不是驱动源的直流负载，故这种端接方式无任何直流功耗。串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生不期望的电压噪声干扰。耦合分为容性耦合和感性耦合，过大的串扰可能引起电路的误触发，导致系统无法正常工作。根据串扰的一些特性，可以归纳出几种减小串扰的方法： 1、加大线间距，减小平行长度，必要时采用jog 方式布线。 2、高速信号线在满足条件的情况下，加入端接匹配可以减小或消除反射，从而减小串扰。 3、对于微带传输线和带状传输线，将走线高度限制在高于地线平面范围要求以内，可以显著减小串扰。 4、在布线空间允许的条件下，在串扰较严重的两条线之间插入一条地线，可以起到隔离的作用，从而减小串扰。传统的PCB设计由于缺乏高速分析和仿真指导，信号的质量无法得到保证，而且大部分问题必须等到制版测试后才能发现。这大大降低了设计的效率，提高了成本，在激烈的市场竞争下显然是不利的。于是针对高速PCB设计，业界人士提出了一种新的设计思路，成为“自上而下”的设计方法，经过多方面的方针分析和优化，避免了绝大部分可能产生的问题，节省了大量的时间，确保满足工程预算，产生高质量的印制板，避免繁琐而高耗的测试检错等。利用差分线传输数字信号就是高速数字电路中控制破坏信号完整性因素的一项有效措施。在印制电路板（PCB抄板）上的差分线，等效于工作在准TEM模的差分的微波集成传输线对。其中，位于PCB顶层或底层的差分线等效于耦合微带线，位于多层PCB内层的差分线，等效于宽边耦合带状线。数字信号在差分线上传输时是奇模传输方式，即正负两路信号的相位差是180，而噪声以共模的方式在一对差分线上耦合出现，在接受器中正负两路的电压或电流相减，从而可以获得信号消除共模噪声。而差分线对的低压幅或电流驱动输出实现了高速集成低功耗的要求。

030442003高速电路板设计与仿真

《高速电路板设计与仿真》课程教学大纲课程代码：030442003 课程英文名称：High Speed Printed Circuit Board Design and Emulation 课程类别：专业基础课课程性质：选修适用专业：电子科学与技术课程总学时：40 讲课：40 实验：0 上机：0 大纲编写（修订）时间：2011.7 一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是电子科学与技术专业的专业任选课, 属于专业技术基础课，是一门重要的实践课程。通过本课程的学习,学生能够利用先进的高端软件设计高速电路板，绘制出具有实际意义的原理图和印刷电路板图，具有对设计中的信号完整性、电磁兼容性、电源完整性等问题的分析能力，熟悉一定的电子工艺和印刷电路板的布局布线知识，为今后从事高端设计工作打下一定的基础。（二）知识、能力及技能方面的基本要求在知识方面，要求学生具有初步的半导体工艺、印制电路、芯片封装等方面的知识，还要了解信号完整性、电磁兼容性、电源完整性等方面的基本概念，如此才能设计出高质量的高速PCB。在能力方面，要求学生具备一些计算机方面的操作技能。（三）实施说明 1.教学内容：包括原理图设计、PCB设计、高速信号仿真三部分，其中PCB设计为重点内容。应突出高速和高质量PCB的讲解,以适应高端设计要求。讲课要理论联系实际，设计具有实际意义的原理图和印刷电路板图，而不只是空讲理论知识。 2．教学方法：采用启发式教学，提高学生分析问题和解决问题的能力。鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力，调动学生自行设计的学习积极性和创新能力。 3．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中可采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。 4．大纲实施时应贯彻学院工程训练与工程教育相结合的特点，注重学生的能力培养和专业素质的提高，尤其是培养学生的实际动手设计和操作的能力。（四）对先修课的要求本课程的先修课为电路、模拟电子电路、数字电子电路、计算机基础知识。（五）对习题课、实践环节的要求每次课后留有一定量的操作练习，要求学生课后在自己的电脑上学习操作。本课程无实验。（六）课程考核方式 1．考核方式：考查 2．考核目标：考核学生是否掌握了软件的基本操作方法，重点考核学生的原理图绘制和印刷电路板的设计能力，所设计的项目是否具有实际意义。 3．成绩构成：本课程的总成绩由两部分组成：平时成绩（包括平时自行练习、出勤等）占20%，期末验收成绩（以综合作业完成情况给出成绩）占80%。按优、良、中、及格、不及格五级给出最后成绩。（七）参考书目《Cadence SPB 15.7工程实例入门》于争著，电子工业出版社， 2010.5.

信号完整性分析基础系列之一——眼图测量

信号完整性分析基础系列之一 ——关于眼图测量（上）汪进进美国力科公司深圳代表处内容提要：本文将从作者习惯的无厘头漫话风格起篇，从四个方面介绍了眼图测量的相关知识：一、串行数据的背景知识; 二、眼图的基本概念; 三、眼图测量方法; 四、力科示波器在眼图测量方面的特点和优势。全分为上、下两篇。上篇包括一、二部分。下篇包括三、四部分。您知道吗？眼图的历史可以追溯到大约47年前。在力科于2002年发明基于连续比特位的方法来测量眼图之前，1962年-2002的40年间，眼图的测量是基于采样示波器的传统方法。您相信吗？在长期的培训和技术支持工作中，我们发现很少有工程师能完整地准确地理解眼图的测量原理。很多工程师们往往满足于各种标准权威机构提供的测量向导，Step by Step，满足于用“万能”的Sigtest软件测量出来的眼图给出的Pass or Fail结论。这种对于Sigtest的迷恋甚至使有些工程师忘记了眼图是可以作为一项重要的调试工具的。在我2004年来力科面试前，我也从来没有听说过眼图。那天面试时，老板反复强调力科在眼图测量方面的优势，但我不知所云。之后我Google“眼图”，看到网络上有限的几篇文章，但仍不知所云。刚刚我再次Google“眼图”，仍然没有找到哪怕一篇文章讲透了眼图测量。网络上搜到的关于眼图的文字，出现频率最多的如下，表达得似乎非常地专业，但却在拒绝我们的阅读兴趣。 “在实际数字互连系统中，完全消除码间串扰是十分困难的，而码间串扰对误码率的影响目前尚无法找到数学上便于处理的统计规律，还不能进行准确计算。为了衡量基带传输系统的性能优劣，在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形的方法来分析码间串扰和噪声对系统性能的影响，这就是眼图分析法。如果将输入波形输入示波器的Y轴，并且当示波器的水平扫描周期和码元定时同步时，适当调整相位，使波形的中心对准取样时刻，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图（Eye Map）。二进制信号传输时的眼图只有一只“眼睛”，当传输三元码时，会显示两只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真，每个码元将重叠在一起，最终在示波器上看到的是迹线又细又清晰的“眼睛”，“眼”开启得最大。当有码

高速PCB设计指南

高速PCB设计指南第一篇 PCB布线在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通，然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。并试着重新再布线，以改进总体效果。对目前高密度的PCB设计已感觉到贯通孔不太适应了，它浪费了许多宝贵的布线通道，为解决这一矛盾，出现了盲孔和埋孔技术，它不仅完成了导通孔的作用，还省出许多布线通道使布线过程完成得更加方便，更加流畅，更为完善，PCB 板的设计过程是一个复杂而又简单的过程，要想很好地掌握它，还需广大电子工程设计人员去自已体会，才能得到其中的真谛。 1 电源、地线的处理

既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因，现只对降低式抑制噪音作以表述：（1）、众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。（2）、尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm,最经细宽度可达0.05～0.07mm,电源线为1.2～2.5 mm 对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用) （3）、用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。 2 数字电路与模拟电路的共地处理现在有许多PCB不再是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整人PCB对外界只有一个

PCB仿真概述

随着信息宽带化和高速化的发展，以前的低速PCB已完全不能满足日益增长信息化发展的需要，人们对通信需求的不断提高，要求信号的传输和处理的速度越来越快，相应的高速PCB的应用也越来越广，设计也越来越复杂。高速电路有两个方面的含义，一是频率高，通常认为数字电路的频率达到或是超过45MHZ 至50MHZ，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个系统的三分之一，就称为高速电路；二是从信号的上升与下降时间考虑，当信号的上升时小于6倍信号传输延时时即认为信号是高速信号，此时考虑的与信号的具体频率无关。高速PCB的出现将对硬件人员提出更高的要求，仅仅依靠自己的经验去布线，会顾此失彼，造成研发周期过长，浪费财力物力，生产出来的产品不稳定。高速电路设计在现代电路设计中所占的比例越来越大，设计难度也越来越高，它的解决不仅需要高速器件，更需要设计者的智慧和仔细的工作，必须认真研究分析具体情况，解决存在的高速电路问题。一般说来主要包括三方面的设计：信号完整性设计、电磁兼容设计、电源完整性设计。在电子系统与电路全面进入1GHz以上的高速高频设计领域的今天，在实现VLSI芯片、PCB和系统设计功能的前提下具有性能属性的信号完整性问题已经成为电子设计的一个瓶颈。从广义上讲，信号完整性指的是在高速产品中有互连线引起的所有问题，它主要研究互连线与数字信号的电压电流波形相互作用时其电气特性参数如何影响产品的性能。传统的设计方法在制作的过程中没有仿真软件来考虑信号完整性问题，产品首次成功是很难的，降低了生产效率。只有在设计过程中融入信号完整性分析，才能做到产品在上市时间和性能方面占优势。对于高速PCB设计者来说，熟悉信号完整性问题机理理论知识、熟练掌握信号完整性分析方法、灵活设计信号完整性问题的解决方案是很重要的，因为只有这样才能成为21世纪信息高速化的成功硬件工程师。信号完整性的研究还是一个不成熟的领域，很多问题只能做定性分析，为此，在设计过程中首先要尽量应用已经成熟的工程经验；其次是要对产品的性能做出预测和评估以及仿真。在设计过程中可以不断积累分析能力，不断创新解决信号完整性的方法，利用仿真工具可以得到检验。第二章：Candence Allegro PCB简介

PCB设计与信号完整性仿真

本人技术屌丝一枚，从事PCB相关工作已达8年有余，现供职于世界闻名的首屈一指的芯片设计公司，从苦逼的板厂制板实习，到初入Pcblayout，再到各种仿真的实战，再到今天的销售工作，一步一步一路兢兢业业诚诚恳恳，有一些相关领悟和大家分享。买卖不成也可交流。 1.谈起硬件工作，是原理图，pcb，码农的结合体，如果你开始了苦逼的pcblayout工作，那么将是漫长的迷茫之路，日复一日年复一年，永远搞不完的布局，拉线。眼冒金星不是梦。最多你可以懂得各种模块的不同处理方式，各种高速信号的设计，但永远只能按照别人的意见进行，毫无乐趣。 2.谈起EDA相关软件，形象的说，就普通的PROTEL/AD来说你可能只有3-6K，对于pads 可能你有5-8K，对于ALLEGRO你可能6-10K,你会哀叹做的东西一样，却同工不同酬，没办法这就是市场，我们来不得无意义的抱怨。 3.众所周知，一个PCB从业者最好的后路就是仿真工作，为什么呢？一；你可以懂得各种模块的设计原则，可以优化不准确的部分，可以改善SI/PI可以做很多，这往往是至关重要的，你可以最大化节约成本，减少器件却功效相同；二；从一个pcblayout到仿真算是水到渠成，让路走的更远；三：现实的说薪资可以到达11-15K or more，却更轻松，更有价值，发言权，你不愿意吗？现在由于本人已技术转销售，现在就是生意人了哈哈，我也查询过各种仿真资料我发现很少，最多不过是Mentor Graphics 的HyperLynx ，candense的si工具，

但是他们真的太low了，精确度和完整性根本不能保证，最多是定性的能力，无法定量。真正的仿真是完整的die到die的仿真，是完整的系统的，是需要更高级的仿真软件，被收购的xxsigrity，xx ansys，hspicexx，adxx等等，这些软件才是真正的仿真。本人提供各种软件及实战代码，例子，从基本入门到高级仿真，从电源仿真，到ddr仿真到高速串行仿真，应有尽有，，完全可以使用，想想以后的高薪，这点投入算什么呢？舍不得孩子套不住狼哦。所有软件全兼容32位和64位系统。切记本人还提供学习手册，你懂的，完全快速进入仿真领域。你懂的！希望各位好好斟酌，自己的路是哪个方向，是否想更好的发展，舍得是哲学范畴，投资看得是利润的最大化，学会投资吧，因为他值得拥有，骚年！注：本人也可提供培训服务，面面俱到，形象具体，包会！有购买和学习培训兴趣的请联系 QQ:2941392162

于博士信号完整性分析入门(修改)

于博士信号完整性分析入门于争博士 https://www.360docs.net/doc/1a12165629.html, for more information,please refer to https://www.360docs.net/doc/1a12165629.html, 电设计网欢迎您

电源完整性与地弹噪声的高速PCB仿真

电源完整性与地弹噪声的高速PCB仿真作者:Martin Vogel 和Brad Cole，Ansoft 公司使用基于电磁场分析的设计软件来选择退耦电容的大小及其放置位置可将电源平面与地平面的开关噪声减至最小。随着信号的沿变化速度越来越快，今天的高速数字电路板设计者所遇到的问题在几年前看来是不可想象的。对于小于1纳秒的信号沿变化，PCB板上电源层与地层间的电压在电路板的各处都不尽相同，从而影响到IC芯片的供电，导致芯片的逻辑错误。为了保证高速器件的正确动作，设计者应该消除这种电压的波动，保持低阻抗的电源分配路径。为此，你需要在电路板上增加退耦电容来将高速信号在电源层和地层上产生的噪声降至最低。你必须知道要用多少个电容，每一个电容的容值应该是多大，并且它们放在电路板上什么位置最为合适。一方面你可能需要很多电容，而另一方面电路板上的空间是有限而宝贵的，这些细节上的考虑可能决定设计的成败。反复试验的设计方法既耗时又昂贵，结果往往导致过约束的设计从而增加不必要的制造成本。使用软件工具来仿真、优化电路板设计和电路板资源的使用情况，对于要反复测试各种电路板配置方案的设计来说是一种更为实际的方法。本文以一个xDSM(密集副载波多路复用)电路板的设计为例说明此过程，该设计用于光纤/宽带无线网络。软件仿真工具使用Ansoft的SIwave，SIwave基于混合全波有限元技术，可以直接从layout工具Cadence Allegro, Mentor Graphics BoardStation, Synopsys Encore和Zuken CR-5000 Board Designer导入电路板设计。图1是SIwave中该设计的PCB版图。由于PCB的结构是平面的，SIwave可以有效的进行全面的分析，其分析输出包括电路板的谐振、阻抗、选定网络的S参数和电路的等效Spice模型。图1, SIwave中xDSM电路板的PCB版图，左边是两个高速总线，右边是三个Xilinx的FPGA。 xDSM电路板的尺寸，也就是电源层和地层的尺寸是11×7.2 英寸（28×18.3 厘米）。电源层和地层都是1.4mil厚的铜箔，中间被23.98mil厚的衬底隔开。为了理解对电路板的设计，首先考虑xDSM电路板的裸板（未安装器件）特性。根据电路板上高速信号的上升时间，你需要了解电路板在频域直到2GHz范围内的特性。图2所示为一个正弦信号激励电路板谐振于0.54GHz时的电压分布情况。同样，电路板也会谐振于0.81GHz和0.97GHz以及更高的频率。为了更好地理解，你也可以在这些频率的谐振模式下仿真电源层与地层间电压的分布情况。图2所示在0.54GHz的谐振模式下，电路板的中心处电源层和地层的电压差变化为零。对于一些更高频率的谐振模式，情况也是如此。但并非在所有的谐振模式下都是如此，例如在1.07GHz、1.64GHz和1.96 GHz的高阶谐振模式下，电路板中心处的电压差变化是不为零的。

信号完整性分析基础系列之二十四

信号完整性分析基础系列之二十四——关于抖动（上）美国力科公司深圳代表处汪进进写在前面的话抖动话题是示波器测量的最高境界，也是最风云变换的一个话题，这是因为抖动是示波器测量的诸多功能中最和“数学”相关的。玩数学似乎是需要一定境界的。 “力科示波器是怎么测量抖动的?”，“这台示波器抖动测量准不准?”，“时钟抖动和数据抖动测量方法为什么不一样？”，“总体抖动和峰峰值抖动有什么区别? ”，“余辉方法测量抖动不是最方便吗？”，“抖动和眼图，浴盆曲线之间是什么?”，…… 关于抖动的问题层出不穷。这么多年来，在完成了“关于触发（上）、（下）”和“关于眼图（上）、（下）”，“关于S参数（上）（下）”等三篇拙作后，我一直希望有一篇“关于抖动”的文章问世，但每每下笔又忐忑而止，怕有谬误遗毒。今天，当我鼓起勇气来写关于抖动的时候，我需要特别说明，这是未定稿，恳请斧正。抖动和波形余辉的关系有一种比较传统的测量抖动的方法，就是利用余辉来查看信号边沿的变化，然后再用光标测量变化的大小（如图1所示），后来更进了一步，可以利用示波器的“余辉直方图”和相关参数自动测量出余辉的变化范围，这样测量的结果就被称为“抖动”。这个方法是在示波器还没有“测量统计”功能之前的方法，但在90年代初力科发明了测量统计功能之后，这个方法就逐渐被淘汰了。图1 传统的抖动测量方法这种传统的方法有下面这些缺点：（1）总会引入触发抖动，因此测量的结果很不准确。（2）只能测量某种参数的抖动，譬如触发上升沿，测量下降沿的余辉变化，反应了宽度的抖动，触发上升沿，测量相邻的上升沿的余辉变化，反应了周期的抖动。显然还有很多类型的抖动特别是最重要的TIE抖动无法测量出来。（3）抖动产生的因果关系的信息也无从得知。定义抖动的四个维度和抖动相关的名词非常多：时钟抖动，数据抖动; 周期抖动，TIE抖动，相位抖动，cycle-cycle抖动; 峰峰值抖动(pk-pk jitter)，有效值抖动(rms jitter);总体抖动(Tj)，随机抖动(Rj)，固有抖动(Dj);周期性抖动，DCD抖动，ISI抖动，数据相关性抖动; 定时抖动，基于误码率的抖动; 水平线以上的抖动和水平线以下的抖动…… 这些名词反应了定义抖动的不同维度。回到“什么是抖动”的定义吧。其实抖动的定义一直没有统一，这可能也是因为需要表达清楚这个概念的维度比较多的原因。目前引用得比较多的定义是: Jitter is defined as the short-term variations of a digital signal’s significant instants from their ideal positions in time. 就是说抖动是信号在电平转换时，其边沿与理想位置之间的偏移量。如图2所示，红色的是表示理想信号，实际信号的边沿和红色信号边沿之间的偏差就是抖动。什么是“理想位置”，“理想位置”是怎么得到的？这是被问到后最不好回答的问题。

allegro_PCB_SI仿真

随着微电子技术和计算机技术的不断发展，信号完整性分析的应用已经成为解决高速系统设计的唯一有效途径。借助功能强大的Cadence公司SpecctraQuest 仿真软件，利用IBIS模型，对高速信号线进行布局布线前信号完整性仿真分析是一种简单可行行的分析方法，可以发现信号完整性问题，根据仿真结果在信号完整性相关问题上做出优化的设计，从而缩短设计周期。本文概要地介绍了信号完整性(SI)的相关问题，基于信号完整性分析的PCB 设计方法，传输线基本理论，详尽的阐述了影响信号完整性的两大重要因素—反射和串扰的相关理论并提出了减小反射和串扰得有效办法。讨论了基于SpecctraQucst的仿真模型的建立并对仿真结果进行了分析。研究结果表明在高速电路设计中采用基于信号完整性的仿真设计是可行的, 也是必要的。【关键字】高速PCB、信号完整性、传输线、反射、串扰、仿真 Abstract With the development of micro-electronics technology and computer technology，application of signal integrity analysis is the only way to solve high-speed system design. By dint of SpecctraQuest which is a powerful simulation software, it’s a simple and doable analytical method to make use of IBIS model to analyze signal integrity on high-speed signal lines before component placement and routing. This method can find out signal integrity problem and make optimization design on interrelated problem of signal integrity. Then the design period is shortened. In this paper，interrelated problem of signal integrity, PCB design based on signal integrity, transmission lines basal principle are introduced summarily．The interrelated problem of reflection and crosstalk which are the two important factors that influence signal integrity is expounded. It gives effective methods to reduce reflection and crosstalk. The establishment of emulational model based on SpecctraQucst is discussed and the result of simulation is analysed. The researchful fruit indicates it’s doable and necessary to adopt emulational design based on signal integrity in high-speed electrocircuit design.

信号完整性分析

信号完整性背景信号完整性问题引起人们的注意，最早起源于一次奇怪的设计失败现象。当时，美国硅谷一家著名的影像探测系统制造商早在7 年前就已经成功设计、制造并上市的产品，却在最近从生产线下线的产品中出现了问题，新产品无法正常运行，这是个20MHz 的系统设计，似乎无须考虑高速设计方面的问题，更为让产品设计工程师们困惑的是新产品没有任何设计上的修改，甚至采用的元器件型号也与原始设计的要求一致，唯一的区别是 IC 制造技术的进步，新采购的电子元器件实现了小型化、快速化。新的器件工艺技术使得新生产的每一个芯片都成为高速器件，也正是这些高速器件应用中的信号完整性问题导致了系统的失败。随着集成电路(IC)开关速度的提高，信号的上升和下降时间迅速缩减，不管信号频率如何，系统都将成为高速系统并且会出现各种各样的信号完整性问题。在高速PCB 系统设计方面信号完整性问题主要体现为：工作频率的提高和信号上升/下降时间的缩短，会使系统的时序余量减小甚至出现时序方面的问题；传输线效应导致信号在传输过程中的噪声容限、单调性甚至逻辑错误；信号间的串扰随着信号沿的时间减少而加剧；以及当信号沿的时间接近0.5ns 及以下时，电源系统的稳定性下降和出现电磁干扰问题。

信号完整性含义信号完整性(Signal Integrity)简称SI，指信号从驱动端沿传输线到达接收端后波形的完整程度。即信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。从广义上讲，信号完整性问题指的是在高速产品中由互连线引起的所有问题，主要表现为五个方面:

信号完整性分析基础之八——抖动的频域分析

在上两篇文章中，我们分别介绍了直方图（统计域分析）和抖动追踪（时域分析）在抖动分析中的应用。从抖动的直方图和抖动追踪波形上我们可以得到抖动的主要构成成分以及抖动参数的变化趋势。如需对抖动的构成做进一步的分析，还需要从频域角度去进一步分析抖动的跟踪波形。抖动的频谱即是对抖动追踪（jitter track）波形做FFT运算。如下图1所示为一个时钟周期测量参数的追踪、频谱分析步骤及效果，在抖动频谱图上可以清楚的看出某两个频率值点抖动比较大：图1 抖动频谱黄色为实际采集到的时钟波形（C1通道） P1测量C1通道时钟信号的时钟周期 F7函数对P1测量参数进行跟踪 F6对F7进行FFT分析下图2所示为一典型的串行信号抖动追踪频谱图，从图中可看出各种抖动成分；DDj和Pj为窄带频谱（三角形谱或者谱线）但是DDj和Pj的区别是由于DDj是和码型相关的，其频率fDDJ一般会是数据位率的整数倍，如果Pj的频率fPJ正好等于fDDJ，那么从抖动的频谱图里面是很难将DDj和Pj精确的分开的，所以通常在抖动分解的过程中一般通过时域平均的方法来分解DDj；BUj主要由于串扰等因素引起的，一般分为两种，一种是窄带，但幅度较高，很显然这类BUJ也是很难和PJ区分开的，除非我们知道引起BUJ的源头，知道其频率，所以说我们在抖动测试时得到的PJ一般会包含这类BUJ(所以通常情况下对这类BUJ不加区分，直接算做PJ，而将BUJ分类为PJ和OBUJ，在之前的抖动分类文章中有提及)；另外一类是宽带的BUJ（很多时候也叫OBUJ，other bounded uncorrelated jitter），幅度很小，基本会埋没到RJ中去，这类抖动很容易被误算作RJ，目前使用在示波器上的抖动分解软件只有Lecroy最近推出的SDAII（基于NQ-SCALE抖动分解理论）能够较好的将这类抖动从Rj中剥离出来；RJ是宽带频谱，幅度很小。

千兆位设备PCB的信号完整性设计

千兆位设备PCB的信号完整性设计本文主要讨论在千兆位数据传输中需考虑的信号完整性设计问题，同时介绍应用PCB设计工具解决这些问题的方法，如趋肤效应和介质损耗、过孔和连接器的影响、差分信号及布线考虑、电源分配及EMI控制等。通讯与计算机技术的高速发展使得高速PCB设计进入了千兆位领域，新的高速器件应用使得如此高的速率在背板和单板上的长距离传输成为可能，但与此同时，PCB设计中的信号完整性问题(SI)、电源完整性以及电磁兼容方面的问题也更加突出。信号完整性是指信号在信号线上传输的质量，主要问题包括反射、振荡、时序、地弹和串扰等。信号完整性差不是由某个单一因素导致，而是板级设计中多种因素共同引起。在千兆位设备的PCB板设计中，一个好的信号完整性设计要求工程师全面考虑器件、传输线互联方案、电源分配以及EMC方面的问题。高速PCB设计EDA工具已经从单纯的仿真验证发展到设计和验证相结合，帮助设计者在设计早期设定规则以避免错误而不是在设计后期发现问题。随着数据速率越来越高设计越来越复杂，高速PCB系统分析工具变得更加必要，这些工具包括时序分析、信号完整性分析、设计空间参数扫描分析、EMC设计、电源系统稳定性分析等。这里我们将着重讨论在千兆位设备PCB设计中信号完整性分析应考虑的一些问题。高速器件与器件模型尽管千兆位发送与接收元器件供应商会提供有关芯片的设计资料，但是器件供应商对于新器件信号完整性的了解也存在一个过程，这样器件供应商给出的设计指南可能并不成熟，还有就是器件供应商给出的设计约束条件通常都是非常苛刻的，对设计工程师来说要满足所有的设计规则会非常困难。所以就需要信号完整性工程师运用仿真分析工具对供应商的约束规则和实际设计进行分析，考察和优化元器件选择、拓扑结构、匹配方案、匹配元器件的值，并最终开发出确保信号完整性的PCB布局布线规则。因此，千兆位信号的精确仿真分析变得十分重要，而器件模型在信号完整性分析工作中的作用也越来越得到重视。元器件模型通常包括IBIS模型和Spice模型。由于板级仿真只关心输出管脚经过互联系统到输入管脚的信号响应，同时IC厂家不希望泄漏器件内部详细的电路信息，且晶体管级Spice模型仿真时间通常难以忍受，所以IBIS模型在高速PCB设计领域逐渐被越来越多的器件厂家和信号完整性工程师所接受。对于千兆位设备PCB系统的仿真，工程师经常会对IBIS模型的精确性提出质疑。当器件工作在晶体管的饱和与截止区时，IBIS模型缺乏足够详细的信息来描述，在瞬态响应的非线性区域，用IBIS模型仿真的结果不能像晶体管级模型那样产生精确的响应信息。然而，对于ECL类型器件，可以得到和晶体管级模型仿真结果很吻合的IBIS模型，原因很简单，ECL驱动器工作在晶体管的线性区域，输出波形更接近于理想的波形，按IBIS标准可以得到较为精确的IBIS模型。随着数据传输速率提高，在ECL技术基础上发展起来的差分器件得到很大发展。LVDS标准和CML等使得千兆位信号传输成为可能。从上面的讨论可知，由于电路结构和相应的差分技术应用，IBIS标准仍然适用于千兆位系统的设计。已发表的一些IBIS模型在2.5Gbps LVDS 和CML设计中的应用文章也证明了这一点。由于IBIS模型不适用于描述有源电路，对于许多有预加重电路进行损耗补偿的Gbps器件，IBIS模型并不合适。因此，在千兆位系统设计中，IBIS模型只有在下列情况下才可以有效工作： 1．差分器件工作在放大区(线性V-I曲线) 2．器件没有有源预加重电路

高速PCB设计心得

一：前言随着PCB系统的向着高密度和高速度的趋势不断的发展，电源的完整性问题，信号的完整性问题（SI），以及EMI，EMC的问题越来越突出，严重的影响了系统的性能甚至功能的实现。所谓高速并没有确切的定义，当然并不单单指时钟的速度，还包括数字系统上升沿及下降沿的跳变的速度，跳变的速度越快，上升和下降的时间越短，信号的高次谐波分量越丰富，当然就越容易引起SI，EMC，EMI的问题。本文根据以往的一些经验在以下几个方面对高速PCB的设计提出一些看法，希望对各位同事能有所帮助。 ●电源在系统设计中的重要性 ●不同传输线路的设计规则 ●电磁干扰的产生以及避免措施二：电源的完整性 1．供电电压的压降问题。随着芯片工艺的提高，芯片的内核电压及IO电压越来越小，但功耗还是很大，所以电流有上升的趋势。在内核及电压比较高，功耗不是很大的系统中，电压压降问题也许不是很突出，但如果内核电压比较小，功耗又比较大的情况下，电源路径上的哪怕是0.1V 的压降都是不允许的，比如说ADI公司的TS201内核电压只有 1.2V，内核供电电流要 2.68A，如果路径上有0.1欧姆的电阻，电压将会有0.268V的压降，这么大的压降会使芯片工作不正常。如何尽量减小路径上的压降呢？主要通过以下几种方法。

a：尽量保证电源路径的畅通，减小路径上的阻抗，包括热焊盘的连接方式，应该尽量的保持电流的畅通，如下图1和图2的比较，很明显图2中选择的热焊盘要强于图1。 b：尽量增加大电流层的铜厚，最好能铺设两层同一网络的电源，以保证大电流能顺利的流过，避免产生过大的压降，关于电流大小和所流经铜厚的关系如表1所示。（表1） 1 oz.铜即35微M厚， 2 oz.70微M, 类推举例说，线宽0.025英寸，采用2 oz.盎斯的铜，而允许温升30度，