Cadence SI信号完整性仿真技术

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。

（2）设置直流电压网络的参考值，点击Identify DC Nets ，进入直流电压参考值的设置界面。

（3）零件默认设置，点击Device Setup 进入设置界面。

（4）信号完整性分析需要PCB 上的零件都有自己的电气模型，在这一步里，进入SI Model Assignment 界面，进行零件的模型赋予。

在Signal Model Assignment 模型赋予的界面中，对于集总元件R 、C 、L 而言，可以直接点击Create Model 来创建元件电气模型。

对于有源器件和其他芯片，可以点击Find Model，进入SI Model Browser 界面，寻找器件对应的SI仿真模型，然后点击Assign命令，赋予元件对应的DML信号完整性分析模型。

其中元件的IBIS模型通常芯片生产厂家都会提供，在其网上下载即可。

（5）零件的SI模型审核，点击SI Audit进入Net Audit界面，选择相应网络进行审核。

（6）点击Finish 命令，弹出SigNoise Setup Report 窗口，这里是信号完整性分析的设置报告。

二、SI信号完整性分析：

SI分析的前期准备完成之后，就可以进行信号完整性分析了，执行Analyze/SI EMI Sim/Probe命令，然后选择需要进行SI分析的网络或者差分对

（模型分配中必须设置好差分对），如下图所示：

取出来，如下图：

网络拓扑结构提取成功之后，接下来就是设置仿真默认参数，设置驱动端激励源信号，然后就是分析得到网络信号完整性分析波形，具体流程如下。

1、仿真默认参数设置

在提取的网络拓扑结构中，执行Analyze/Preferences…命令，弹出Analysis

Preferences对话框，设置信号完整性分析的默认参数。

有以下几点：

（1）Pulse Stimulus栏，用以设置默认激励源，Measurement Cycle设置仿真分析的周期数；Switching Frequency设置默认脉冲激励的频率；Duty Cycle 设置脉冲激励的占空比；Offset设置激励源相位。

（2）仿真参数（Simulation Parameters）设置，Fixed Duration设置脉冲激励的持续时间；Waveform Resolution设置输出波形的分辨时间；Default Cutoff Frequency设置分析截止时间；Simulator和Solver设置仿真分析的解算器和分析算法。

（3）仿真模式（Simulation Modes）设置，FTS Modes（s）设置仿真类型，有典型分析，还有两种最坏情况分析，即Fast、Slow两种模式.

(4)测量模式（Measurement Modes）设置，Measure Delay At脉冲延时设置；Receiver Selection接收端选择；Custom Simulation设置用户分析类型，Reflection信号反射分析，Crosstalk串扰分析，EMI电磁干扰分析；Drvr Measurement Location设置驱动端位置，Pin表示驱动端在芯片外部封装引脚处，Die则表示驱动端信号在芯片内部的裸片引脚处；Rcvr Measurement Location设置接收端信号位置，也是Pin和Die两种选择，意义相同。

结束以上的设置，即完成了SI分析的默认参数设置，接下来就需要设置驱动端的激励源设置。

2、驱动端激励源设置

SI仿真分析，都需要设置好驱动端的激励源，然后才能进行分析。

在驱动端点击TRISTATE，弹出Stimulus Edit激励源编辑窗口，在这里进行激励源的编辑，如下图。