编辑推荐
信号完整性已成为目前从事高速电路设计的人们关注的焦点。
《信号完整性仿真分析方法》通过大量的仿真实验,帮助读者深入理解信号完整性分析的基本概念和研究方法。
内容全面,覆盖信号完整性仿真分析的主要内容
介绍软件众多,可解决信号完整性分析中不同的问题
按照问题类型编写,使读者能根据问题寻找解决方法
例题讲解详细,既有原理仿真问题,也有板级仿真问题
包含如何解决工程中的棘手问题,阅读后使人豁然开朗
内容简介
《信号完整性仿真分析方法》全面介绍了信号完整性分析中的仿真方法,包括二维参数提取、三维参数提取、原理性前仿真、板级后仿真、电源完整性仿真、电磁辐射仿真等,介绍了Ansoft SI2D、Q3D、ADS、HyperLynx、SIwave和Designer等在信号完整性仿真分析中的具体应用。
全书内容全面、例题较多,覆盖了信号完整性仿真分析方面最主要的内容和最常用的软件,并用软件分析的方法实现与信号完整性分析相关的案例,因此通过本书的学习,读者可以直接利用这些分析方法去从事与信号完整性分析相关的课题研究。
《信号完整性仿真分析方法》不管对于学习信号完整性分析的研究生还是对于从事信号完整性分析的科技人员,都是一本难得的实用教材。
内页插图
目录
前言
第1章 信号完整性仿真分析方法概述
1.1 信号完整性研究的内容
1.2 信号完整性与其他课程的关系
1.3 电磁场类研究方向之间的关系
1.4 信号完整性与电磁兼容之间的关系
1.5 信号完整性与PCB设计之间的关系
1.6 信号完整性常用仿真分析软件介绍
1.7 本书的章节结构安排
第2章 用AnsoftS12D进行二维参数提取
2.1 S12D简介
2.1.1 什么是S12D提取器
2.1.2 二维场求解器的设计环境
2.1.3 快速启动S12D
2.2 例题
2.2.1 同轴线
2.2.2 同轴线——从三维模型导出二维模型
2.2.3差分对
2.2.4 过度蚀刻
2.2.5 键合线
2.2.6 串扰
2.2.7 平面波导
2.2.8 接地的平面波导
第3章 用Q3D进行三维参数提取
3.1 什么是Q3D Extractor
3.1.1 系统需求
3.1.2 启动Ansoft Q3D
3.1.3 把旧的Q3D文件导入
3.1.4 Ansoft条目
3.1.5 项目管理器
3.1.6 特性窗口
3.1.7 Ansoft 3D建模器
3.1.8.3 D建模器设计树
3.1.9 设计窗口
3.1.10 工具栏
3.1.11 显示或隐藏单个工具栏
3.1.12 自定义排列工具栏
3.1.13 Q3DExtractor桌面
3.1.14 打开一个Q3D项目
3.2 Q3D实例分析
3.2.1 微带线
3.2.2 微小过孔
3.2.3 分段返回通路
3.2.4 球陈列封装
3.2.5 连接器模型
3.2.6 接合线
3.2.7 螺旋电感
第4章 ADS在信号完整性分析中的应用
4.1 ADS的基本使用
4.1.1 ADS主要操作窗口
4.1.2 ADS基本操作
4.2 元器件的等效电路模拟
4.2.1 示波器探针的等效电路模型
4.2.2 RLC电路的时域行为
4.2.3 两焊盘间键合线回路的等效电路模型
4.2.4 去耦电容的等效电路模型
4.2.5 驱动器的等效电路模型
4.2.6 如何构造求阻抗的电路模型
4.2.7 传输线的等效电路模型
4.3 传输线的反射仿真
4.3.1 阻抗不匹配而产生的振铃
4.3.2 驱动源的内阻抗情况
4.3.3 反弹图仿真
4.3.4 反射波形仿真
4.3.5 仿真TDR测量原理
4.3.6 何时需要端接
4.3.7 源端端接
4.3.8 源端端接情况下的传输线增加
4.3.9 短串接传输线的反射
4.3.10 短串接传输线的反射(续)
4.3.11 短桩线的反射
4.3.12 容性终端负载的反射
4.3.13 连线中途的容性负载反射
4.3.14 容性时延累加
4.3.15 有载线
4.3.16 感性突变产生的反射
4.3.17 感性时延累加
4.3.18 补偿
4.4 考虑损耗时的仿真
4.4.1 信号的损耗
4.4.2 有损耗传输线的建模
4.4.3 传输线测试模型
4.5 传输线的串扰仿真
4.5.1 容性耦合电流
4.5.2 感性耦合电流
4.6 差分对仿真
4.6.1 差分对的端接
4.6.2 差分信号向共模信号的转化
4.6.3 差分对一根信号线接容性负载时的情况
4.6.4 差分对端接对共模信号的影响
4.6.5 同时端接共模和差模
4.6.6 同时端接共模和差模有错位
第5章 用Hyper Lynx进行原理性仿真分析
5.1 Hyper Lynx的基本使用
5.1.1 建立新的单元胞格式的板图
5.1.2 增加传输线
5.1.3 增加IC
5.1.4 增加电阻、电感和电容
5.1.5 编辑电源电压
5.1.6 设置和运行仿真
5.1.7 观察仿真结果
5.1.8 测量时间和电压
5.1.9 记录仿真结果
5.1.10 保存新的板图
5.2 元器件的等效电路模拟
5.2.1 带宽对上升时问的影响
5.2.2 不同覆盖厚度时微带线周围的电场分布
5.3 传输线的反射仿真
5.3.1 传输线如何影响驱动器的波形
5.3.2 用2D场求解器计算微带线中电场的分布
5.3.3 反弹图
5.3.4 反射波形仿真
5.3.5 何时需要端接
5.3.6 源端端接
5.3.7 源端端接时传输线长度的影响
5.3.8 短串接传输线的反射
5.3.9 短串接传输线的反射(续)
5.3.10 短桩线传输线的反射
5.3.11 容性终端负载的反射
5.3.12 传输线中途的容性负载反射
5.3.13 容性时延累加
5.3.14 有载线
5.3.15 感性突变产生的反射
5.3.16 感性时延累加
5.3.17 补偿
5.4 考虑损耗时的仿真
5.4.1 损耗对传输线的影响
5.4.2 有损线的时域行为
5.4.3 不同长度传输线对输出信号的影响
5.4.4 损耗对眼图的影响
5.5 传输线的串扰仿真
5.5.1 近端串扰
5.5 2 远端串扰
5.5.3 仿真串扰
5.5.4 有源串联端接的耦合线
5.5.5 多条耦合线攻击时的串扰
5.5.6 带状线的情况
5.5.7 防护布线
5.5.8 串扰和时序
5.6 差分对仿真
5.6.1 差分电路的端接
5.6.2 微带线和带状线的电场分布
5.6.3 端接差分信号
5.6.4 端接共模信号
5.6.5 差分对中的串扰
5.6.6 差分对中的共模噪声
5.6.7 差分对对差分对的噪声
5.6.8 返回路径中的间隙
5.6.9 间隙对差分对的影响
5.7 使用Hyper Lynx进行时序调整
5.7.1 概述
5.7.2 时序调整
5.7.3 从实际板图电路提取原理仿真电路的方法
5.8 怎样使用IBIS模型
5.8.1 概述
5.8.2 V/I数据
5.8.3 V/T数据
第6章 用HyperLynx进行PCB板的仿真分析
6.1 用HyperLynx进行PCB后仿真的基本过程
6.1.1 在BoardSim中打开PCB
6.1.2 在BoardSim中编辑叠层和线宽
6.1.3 映射器件类型的参考指示符
6.1.4 编辑电源网络
6.1.5 选择要仿真的网络
6.1.6 选择IC元器件模型
6.1.7 编辑电阻、电感、电容参数值
6.1.8 确定电阻和电容封装
6.1.9 设置和运行交互式仿真
6.1.1 0观察仿真结果
6.1.1 1测量时间和电压
6.1.1 2记录仿真结果
6.2 观察BoardSim的特性
6.2.1 板图用户界面
6.2.2 放大和平移
6.2.3 改变板的方向
6.2.4 改变显示
6.2.5 突出网络显示
6.2.6 同时观察所有的网络
6.2.7 观察板图布局
6.2.8 观察PCB板图细节
6.3 SessionEdits保存的信息
6.3.1 BoardSim怎样保存为SessionEdits
6.3.2 .BUD文件中具有什么信息
6.3.3 怎样保存为SessionEdits
6.3.4 当SessionEdits被重新加载时
6.4 终端向导和快速终端
6.4.1 终端向导(Terminator Wizard)
6.4.2 快速终端(Quick Terminators)
6.4.3 交互式编辑R、L和c
6.4.4 创建一个新的改变报告
6.5 批处理仿真
6.5.1 了解批处理仿真
6.5.2 准备批处理仿真的板图
6.5.3 运行批处理仿真向导
6.5.4 批处理仿真报告
6.6 运行EMC仿真
6.6.1 设置频谱分析仪探针
6.6.2 使用频谱分析仪运行EMC仿真
6.7 在BoardSim中交互式仿真串扰
6.7.1 实现交互式板图后串扰仿真
6.7.2 BoardSim怎样找到串扰网络
6.7.3 怎样显示攻击线
6.7.4 设置串扰仿真的IC模型
6.7.5 运行仿真
6.7.6 怎样最大化仿真特性
6.7.7 改变攻击网络的数量
6.8 在BoardSim中运行场求解器
6.8.1 关于BoardSim串扰和场求解器
6.8.2 什么是场求解器
6.8.3 BoardSim串扰场求解器是怎样工作的
6.8.4 打开耦合观察器
6.8.5 报告网络段的特性
6.9 多块PCB板的分析
6.9.1 什么是多板选项
6.9.2 互联模型
6.9.3 互联电气特性
6.9.4 Multi Board Project Wizard概述
6.9.5 关于板图ID
6.9.6 映射.HYP文件到板图ID中
6.9.7 关于互连关系映射的说明
6.9.8 插入新的.HYP文件
6.9.9 删除连接的.HYP文件
6.9.10 插入新的互联映射
6.9.11 编辑MultiBoard Project Wizard的提示框
6.9.12 创建或编辑一个多板的项目文件
6.9.13 编辑多板工程
6.9.14 打开多板项目文件
第7章 用Slwave进行电源完整性分析
7.1 板图设计
7.2 封装板的阻抗分析
7.3 封装板的s参数
7.4 同步开关噪声(SSN)
7.5 系统级封装器件
第8章 用Slwave和Designer进行板级信号完整性分析
8.1 T型板分析
8.1.1 模型描述
8.1.2 设置设计环境
8.1.3 创建模型
8.1.4 求解方案
8.1.5 仿真结果分析
8.2 分析封装上的差分对
8.2.1 定义全局材料属性
8.2.2 打开工程
8.2.3 叠层设置
8.2.4 主窗口中的叠层观察
8.2.5 导体设置
8.2.6 走线设置
8.2.7 求解设置
8.2.8 观察谐振模式
8.2.9 源的定义
8.2.10 终端的定义
8.2.11 编辑电路元件属性
8.2.12 设置频率扫描
8.2.13 求解
8.2.14 共模模式设置
8.2.15 频率扫描设置
8.2.16 端口设置
8.2.17 设置SPICE求解
8.2.18 SPICE差分对
8.2.19 电路结构
8.2.20 求解电路(差模模式)
8.2.21 后处理电路
8.2.22 共模模式
8.2.23 共模模式仿真结果
8.3 传输时延
8.3.1 绘制金属层
8.3.2 绘制走线
8.3.3 添加过孔
8.3.4 添加去耦电容
8.3.5 Slwave、Designer结合仿真
第9章 PCB板级辐射仿真分析方法
9.1 在S1wave中建立激励源
9.2 在HFSS中进行远场求解
参考文献
前言/序言
随着时钟频率的日益提高,信号完整性问题变得越来越突出,过去不成为信号完整性的问题现在已经变成信号完整性问题了。因此信号完整性已成为从事高速电路设计的人们关注的焦点,也是他们目前研究的热点。显然,关于信号完整性问题的研究国外要比国内先进得多,国外每年都有大量的涉及到信号完整性问题的会议,在各类期刊上都有信号完整性问题的论文发表,并且已出版了十几种关于信号完整性的教材和专著。为了跟踪追赶国外的先进水平,国内先后翻译出版了几种关于信号完整性方面的教材,在国内信号完整性研究领域起到了很大的推动作用。
我校从2005年开始为研究生开设“信号完整性分析”这门课程,至今已有五年。在“信号完整性分析”的教学和科研当中,编写者积累了一定的经验,深知只有通过大量的仿真实验,才能深入理解信号完整性分析的基本概念和研究方法,并且作者在教学中积累了大量的分析案例供学生使用。
《高速信号传输的艺术:深入探索信号完整性》 在现代电子设备日益追求高性能、高速度的今天,信号完整性(Signal Integrity, SI)已成为衡量电路设计水平的关键指标。从智能手机、高性能服务器到复杂的通信基站,每一个高速数字系统都依赖于信号在传输路径上以清晰、无损的状态抵达目的地。一旦信号完整性出现问题,轻则导致数据误码率上升,性能下降,重则引发系统不稳定甚至失效。本书并非简单罗列公式或提供标准化的设计流程,而是致力于深入剖析信号完整性背后的物理原理,并通过丰富的案例和实践经验,引导读者掌握从理论到实践的完整分析方法,最终达成设计出高可靠性、高性能高速数字系统的目标。 本书的章节安排旨在系统性地构建读者对信号完整性的认知框架。 第一部分:高速信号传输的基础物理 在深入探讨复杂的分析技术之前,理解信号完整性的根源至关重要。本部分将从最基本的电磁场理论出发,逐步引导读者理解信号在传输线上的行为。 导论:告别理想世界,拥抱信号完整性挑战 为何在现代设计中信号完整性变得如此关键?高速数字信号的特性(上升沿、时钟频率、比特率)。 从低频到高频的转变:为何低频理论失效?集肤效应、趋肤效应、寄生效应的初步认识。 信号完整性问题的表现形式:反射、振铃、过冲、下冲、串扰、时序抖动等。 信号完整性对系统性能的影响:误码率(BER)、眼图(Eye Diagram)的意义。 传输线的电磁场理论基础 麦克斯韦方程组的简要回顾及其在传输线问题中的应用。 电磁波的产生与传播:电压波和电流波的形成。 传输线的等效电路模型:电感、电容、电阻、电导的物理意义及在高速信号传输中的作用。 波阻抗(Characteristic Impedance)的定义与计算:单根导线、微带线、带状线等典型结构的阻抗特性。 传播延迟(Propagation Delay)与信号速度。 反射与阻抗匹配 阻抗不连续性的根源:连接器、过孔、焊盘、线宽变化等。 反射的发生机制:Fresnel方程在传输线上的应用。 反射系数(Reflection Coefficient)与回波损耗(Return Loss)的物理意义。 端接(Termination)技术的原理:串联端接、并联端接、戴维南端接、AC/DC端接等,以及它们如何抑制反射。 选择合适的端接方式的原则和考量。 信号衰减与损耗 电阻损耗:导线本身的直流电阻、集肤效应导致的交流电阻增加。 介质损耗:PCB介质材料的损耗特性(tanδ),频率和温度的影响。 损耗与信号幅度衰减、波形畸变的关系。 损耗如何影响眼图和误码率。 第二部分:高速信号传输中的关键现象分析 在理解了基础原理后,本部分将深入探讨在实际高速信号传输中普遍遇到的各种问题,并提供分析框架。 串扰(Crosstalk)的机理与影响 串扰的产生:耦合电容和耦合电感的原理。 远端串扰(Far-End Crosstalk, FEXT)与近端串扰(Near-End Crosstalk, NEXT)的差异。 串扰与信号时序(Skew)、抖动(Jitter)的关系。 影响串扰的因素:线间距、线长、耦合类型(内层/外层)、信号频率。 信号时序(Timing)与抖动(Jitter) 时序裕度(Timing Margin)的概念。 抖动的分类:随机抖动(RJ)、确定性抖动(DJ)、总抖动(TJ)。 抖动的来源:电源噪声、串扰、时钟抖动、反射等。 眼图分析:通过眼图评估信号质量、时序和幅度裕度。 眼图参数:眼高(Eye Height)、眼宽(Eye Width)、上升/下降时间、过冲/下冲。 电源完整性(Power Integrity, PI)与信号完整性的相互作用 电源噪声如何影响信号:电源退耦(Decoupling)和滤波。 低阻抗电源分配网络(PDN)的重要性。 PDN的谐振效应与去耦电容的选择。 封装和连接器对PDN的影响。 差分信号传输的优势与挑战 差分信号如何降低共模噪声和提高抗干扰能力。 差分对的阻抗匹配与平衡。 差分线之间的串扰和时序匹配。 差分信号在不同应用场景下的典型配置。 第三部分:信号完整性仿真与分析工具 掌握了理论知识和现象分析方法后,本书将聚焦于如何利用先进的仿真工具来验证和优化设计。 信号完整性仿真概述 仿真在信号完整性设计中的作用:降低风险、优化性能、缩短开发周期。 仿真的基本流程:模型建立、激励设置、求解器选择、结果分析。 常见的仿真类型:S参数(S-parameter)仿真、瞬态(Transient)仿真、眼图仿真。 三维电磁(3D EM)仿真 物理模型的建立:PCB布局、元器件模型、连接器模型。 网格划分(Meshing)的策略与精度。 损耗建模:集肤效应、介质损耗的精确仿真。 S参数的提取与解读:散射参数的物理意义,如何用于分析阻抗、插入损耗、回波损耗和串扰。 Spice级仿真与高级瞬态分析 S参数模型向Spice模型的转换。 信号源模型:上升沿、驱动强度、输出阻抗。 负载模型:接收端输入阻抗、容性负载。 瞬态仿真:观察信号波形在传输过程中的变化。 如何设置仿真参数以获得准确结果。 眼图仿真与误码率分析 眼图仿真的基本原理:基于S参数和统计模型。 抖动模型的引入:RJ和DJ的建模。 误码率(BER)的预测与优化。 影响眼图质量的关键因素在仿真中的体现。 常见信号完整性仿真工具的使用技巧(以某主流工具为例) 软件界面与基本操作。 模型库的构建与管理。 参数扫描与优化:自动调整线宽、间距、端接电阻等。 结果后处理:自定义报告、数据导出。 仿真结果与测量结果的对比验证。 第四部分:实际工程中的信号完整性设计与实践 本部分将结合实际工程案例,展示如何在设计流程中系统地应用信号完整性分析方法,以及应对复杂问题的策略。 PCB设计中的信号完整性考量 PCB叠层设计:层叠顺序、参考平面的选择、阻抗控制。 布线规则:线宽、间距、拐角处理、过孔设计。 元器件布局:驱动端与接收端的靠近、去耦电容的放置。 连接器和线缆的选择与设计。 高速接口(如DDR、PCIe、USB)的信号完整性设计 不同接口规范对信号完整性的具体要求。 针对特定接口的仿真策略和关键参数。 接口匹配和端接方案。 时钟和数据信号的协同设计。 SI问题的诊断与调试 测量仪器:示波器(带宽、采样率)、矢量网络分析仪(VNA)、时域反射计(TDR)。 测量技巧:探头选择、接地、校准。 通过测量数据进行故障定位和原因分析。 仿真与测量的协同作用:用测量验证仿真,用仿真指导测量。 面向未来的信号完整性趋势 更高速率(如112Gbps+ PAM4)带来的新挑战。 AI在SI分析中的应用潜力。 封装信号完整性(Package SI)的重要性。 软件定义硬件与SI设计的集成。 本书通过结构化的讲解,旨在让读者不仅能理解信号完整性现象的“是什么”,更能明白“为什么”,最终掌握“怎么做”。每一章节都力求从概念的引入,到物理原理的剖析,再到实际应用和仿真工具的结合,形成一个完整的知识链条,帮助读者在复杂的高速数字设计世界中游刃有余,成为一名真正意义上的信号完整性专家。