AD（altiumdesigner）15原理图与PCB设计教程（十）——信号完整性分析.docx

AD (altiumdesigner) 15原理图与PCB设计教程() 信 号完整性分析录信号完整性简介如今的PCB设计趋复杂，频时钟和快速开关逻辑意味着PCB设计已不仅是放置元器件和布线。络阻抗、传输延迟、信号质量、反射、 串扰和EMC(电磁兼容)是每个设计者必须考虑的因素，因进制版前的信号完整性分析更加重要。AD包含个级的信号完整性仿真器，然后分析PCB设计和检查设计参数，测试过冲、下冲、阻抗和信号斜率。不过PCB上任何个设计 要求(设计规则指定)有问题，即可对PCB进反射或串扰分析，以确定问题的所在。AD的信号完整性分析与PCB设计过程中缝连接，该模块提供了极其精确的板级分析，能检查整板的串扰、过冲/下冲、上升/下降时间和 阻抗等问题。在PCB制造前，最的代价来解决速电路设计带来的EMC/ EMI(电磁兼容/电磁抗扰)等问题。1. AD的信号完整性分析模块具有如下特性。设置简便，可以和在PCB编辑器中定义设计规则样，定义设计参数(阻抗等)通过运DRC(设计规则检查)，快速定位不符合设计要求的络。需特殊经验要求，可在PCB中直接进信号完整性分析。提供快速的反射和串扰分析。利I/O缓冲器宏模型，需额外的spice或模拟仿真知识。完整性分析，结果采波器显显。成熟的传输线特性计算和并发仿真算法。电阻和电容参数值对不同的终策略进假设分析，并可对逻辑系列快速替换。2. AD的信号完整性分析模块中的I/O缓冲器模型具有如下特性宏模型逼近，使仿真更快更精确。提供IC模型库，包括校验模型。模型同INCASES EMC-WORKBENCH兼容。 动模型连接。 持I/O缓冲器模型的IBIS2业标准集。利完整性宏模型编辑器可便、快速的定义模型。 引数据册或测量值。信号完整性模型信号完整性分析是建在元器件的模型基础之上的，这种模型称为signal integrity模型，简称SI模型。很多元器件的SI模型与相应的原理图符号、封装模型、仿真模型等起，被系统存放在集成库件中，包括IC(集成电路)、 Resister(电阻类元器件)、 Capacitor(电容类元器件)， Connector(连接器类元器件)、 Diode(极管类元器件)、以及 BJT(双极性晶体管类元器件)等。需要进信号完整性分析时，户应为设计中所到的每个元器件设置正确的SI模型。为了简化设定SI模型的操作，并且在进反射、串扰、振荡和不匹配阻抗等信号完整性分析时能够保证适当的精度和仿真速度，很多商为 IC类的元器件提供了现成的引脚模型供设计者选择使，这就是 IBIS( Input/ Output Buffer Information Specification)模型件， 扩展名为“ibs”。IBIS模型是反映芯驱动和接收电特性的种国际标准。它采简单直观的件格式，提供了直流的电压和电流曲线以及系列的上升和 下降时间、驱动输出电压、封装的寄参数等信息，但并不泄露电路内部结构的知识产权细节，因获得了很多芯产家的持。此 外，由于该模型较简单，仿真分析时的计算量较少，但仿真精度却与其他模型(如spice模型)相当，这种优势在PCB的密度越来越、 需要仿真分析的设计细节越来越多的趋势下显得尤为重要。AD系统的信号完整性分析中就采了IC器件的IBIS模型，通过对信号线路的阻抗计算，得到信号响应及失真等仿真数据来检查设计信号的 可靠性.在系统提供的集成库中已包含了量的IBIS，户可对相应的元器件进添加，必要时还可到元器件产商站免费下载相关联的IBIS模 型件。对于实在找不到的 IBIS模型件，设计者还可以采其他的法，如依据芯引脚的功能选相似的IBIS模型，或通过实验测量建 简单的IBIS模型等。IBIS模型件的下载及添加1. 登录Altera公司的站http:/www.A ，在其下载中处下载相应的ibis模型件“ Max2.zip”。2. 双击所放置的元器件“EPM240F100C4N”，打开“元器件属性”对话框。在“model”栏中，可以看到没有信号完整性模型。单 击“Add”按钮，在弹出的“添加新模型”对话框中，选择“signal integrity”。3. 单击“确定”按钮后，打开“signal integrity model”对话框，该对话框显了元器件的IBIS模型件有关信息：“Unknown”。4. 单击窗中的“import IBIS”按钮，这系统弹出“open IBIS file”对话框，供设计者查找所需的IBIS模型件“Max2.ibs”。5. 单击“打开”按钮后，该IBIS模型件已被添加成功，系统弹出相应的更新提框.6. 单击“OK”按钮，关闭“IBIS Converter”对话框，返回原理图编辑环境。可以看到在“元器件属性”对话框的“model”栏中， 信号完整性模型已被添加。执“设计”-“Update PCB document”命令，可将该更新同步到PCB件中。信号完整性分析的环境设定在复杂、速的电路系统中，所到的元器件数量以及种类都较繁多，由于各种原因的限制，在信号完整性分析之前，户未必能逐进 相应的SI模型设定。因此，执了信号完整性分析的命令之后，系统会先进动检测，给出相应的状态信息，以帮助户完成必要的 SI模型设定与匹配。1. 打开个点进信号完整性分析的程。2. 在原理图编辑环境中执“具”-“ Signal integrity”命令，或者在PCB编辑环境中，“具”-“ Signal integrity”命令，开 始运信号完整性分析器，若设计件中存在没有设定SI模型的元器件，则系统会弹出错误信息提框。3. 单机该提框中的“Model Assignments”按钮，会打开SI模型配置的显对话框，显每元器件的SI模型及其所对应的配置状 态，供户查看或修改。4. 双击某元器件标识，会打开相应的“ Signal Integrity model”对话框。户可进元器件SI模型的重新设定，包括模型名称、描 述、类型、技术、数值，并可编辑云模型、设置元器件排列或导IBIS模型件等。5. 在“ Signal integraty model assignments for Mixer_Routed”对话框中，单击“Type”栏或“Value/Type”栏，可直接进 单项的编辑。如选择某器件，单击其被红亮标记的“Value/Type”栏，会打开“ Part Array editor”(元器件排列编辑器)对话 框。6. 将黄亮标记的元器件进修改设置。7. 单击“ Update models in Schematic”按钮，即可将修改后的模型信息更新到原理图中，这是对应的“ Status”栏中会显“ Model Saved”(模型已保存)的状态信息。信号完整性的设计规则与动布局和动布线的过程类似，在PCB上进信号完整性分析之前，也需要先对有关的规则加以合理设置，便准确检测出PCB上潜在的 信号完整性问题。信号完整性分析的规则设置是通过“ PCB规则及约束编辑器”对话框来进的。执“设计”-“规则”命令，打开“PCB规则及约束编 辑器”对话框。在左边录区中，单击“ Signal Integrity”前的+符号展开，可以看到信号完整性分析的规则共有13项。设置时，在 相应项上右击，添加新规则，之后可在新规则界中进具体设置。1. Signal Stimulus(激励信号)该规则主要于设置信号完整性分析中的激励信号特性“约束”选项组中，需要设置的有如下项。“ Stimulus类型”：激励信号类型设置。有三种选择：“ Constant Level”(常数电平即直流信号)、“ Signal Pulse”(单脉冲信 号)和“Periodic Pulse”(周期性脉冲信号)，系统默认设置为“ Signal Pulse”。 “开始级别”：激励信号初始电平设置。有两种选择：“ Low level”(低电平)和“ High level”(电平)。 “开始时间”：激励信号开始时间设置。 “停时间”：激励信号停时间设置。 “时间周期”：激励信号周期设置。2. Overshoot-Falling Edge(信号过冲下降沿)该规则主要于设置信号下降沿所允许的最过冲值，即低于信号基值的最阻尼振荡。在“约束”选项组中，只需要设置最过充值的具体数值，即“最(Volts)”，系统默认单位是V。3. Overshoot-Rising Edge(信号过程上升沿)该规则与上的Overshoot-Falling Edge规则相对应，主要于设置信号上升沿所允许的最过冲值，既于信号基值的最阻尼振 荡。在“约束”选项组中，只需要设置最过充值的具体数值。4. Undershoot-Falling Edge(信号下冲下降沿)该规则主要于设置信号下降沿所允许的最下冲值，即下降沿上于信号基值的最阻尼振荡，具体数值在“约束”选项组中进设置。5. Undershoot-Rising Edge(信号下冲上升沿)该规则主要于设置信号上升沿所允许的最下冲值，即上升沿上于信号基值的最阻尼振荡，具体数值在“约束”选项组中进设置。6. Impedance(阻抗)该规则于设置电路允许抗的最值和最值。7. Signal Top Value(信号电平)该规则于设置信号，在电平状态下所允许的最稳定电压值。8. Signal Base Value(信号基准)该规则于设置信号基值电压的最值。9. Flight Time-Rising Edge(飞时间上升沿)该规则于设置信号上升源的最延迟时间，般指上升到信号设定值的50%时所需要的时间，具体数值可在“约束”选项组中进设置， 默认单位为S。10. Flight Time-Falling Edge(飞时间下降沿)该规则于设置信号下降沿边沿的最延迟时间，般指实际的输电压到阈值电压之间的时间，具体数值在“约束”选项组中进设置。11. Slope-Rising Edge(上升沿斜率)该规则于设置信号的上升沿从阈值电压上升到电平电压所允许的最延迟时间。12. Slope-Falling Edge(下降沿斜率)该规则于设置信号的下降沿从阈值电压下降到低电平电压所允许的最延迟时间。13. Supply Nets(电源络)该规则于设置PCB中电源络或D络的电压值，是在PCB编辑环境下进信号完整性分析时所必须设定的规则。 电源络及地络的设置。1. 在“ PCB规则及约束编辑器”对话框中，选择“ Signal Integrity”-“ Supply Nets”规则，执“新规则”命令，新建了 个“Supply Nets”对话框。2. 单击新建的“Supply Nets”规则，打开相应的设置对话框。3. 在“名称”本框中输“vcc”，在“ Where the first object matches”(第1个匹配对象的位置)中选择“络”，单击按 钮，在下拉列表框中选择“ Vccint”并在下的“约束”选项组中设定“电压”值为“5V”。4. 单击“应”按钮，完成该规则的设置。5. 再次选中“Supply Nets”规则，执“新规则”命令，新建个“Supply Nets”规则。6. 打开设置窗，在“名称”本框中输“ GND”，在“ Wheres the first object matches”中选择“络”，单击按钮，在下 拉列表框中选择“ GND”并在下的“约束”选项组中设定“电压”值为“0V”。7. 单击“应”按钮，完成该规则的设置。进信号完整性的分析信号完整性分析可以分为两步进：第步是对所有可能需要进分析的络进次初步的分析，从中可以了解到哪些络的信号完整性 最差；第步是筛选出些关键信号进进步的分析，已达到设计优化的的，这两步的具体时间都是在信号完整性分析器中进的。信号完整性分析器启动信号完整性分析器1. 在PCB编辑件中设置了信号完整性分析的有关规则之后，执“具”-“signal integrity”命令，系统开始运信号完整性分析 器。2. 单击该提框中的“ Model assignments”按钮，打开SI模型配置显对话框，根据提，进元器件SI模型的设定或修改。3. 更新到原理图中之后，单机SI模型配置显对话框中的“ Reanalyze Design. ”按钮，打开“SI Setup options. ”对话框。同时，在 作窗的右下板标签处会出现个“信号完整性”标签，意味着已启动了信号完整性分析器。该对话框中有两个选项设置:“ Track impendance. ”和“ Average Track Length”(平均布线长度)。“ Track impendance. ”适 于没有设置布线阻抗的全部络，设置了布线阻抗的络则使设定的阻抗规则进信号完整性分析；“Average Track Length”适 于全部未布线的络，选中“ Use Manhattan Length”复选框后，将使曼哈顿布线的长度。4. 单击“SI Setup options. ”对话框中的“ Analyze design”按钮，系统即开始进信号完整性分析。分析完毕后会打开“ Signal integrity. ”对话框。在该对话框的左侧显了进信号完整性初步分析的结果，包括各络的状态以及是否通过了相应的规则，如上冲幅度、下冲幅度等。右侧 可进相应的设置，并对设计进进步的分析和优化。串扰分析1. 菜单命令对于信号完整性分析器的设置主要通过“ Signal integrity. ”对话框中的菜单命令来完成。单击“Menu”按钮或在左侧窗中右击，都会 打开命令菜单。“ Select Net”选择络。执该命令，会将左侧窗中某选中的络添加到右侧的“络”选项组中。“ Details. ”详细。执该命令，系统会打开“ Full Result. ”对话框，于显某选中络的详细分析结果，包括元器件数量、导线 长度以及根据所设定的分析规则所得到的各项数值等。 “Find Coupled Nets”：查找相关联络。执该命令后，所有与选中络有关联的络都会在左侧窗中以选中状态显出来。“ Cross Probe”：交叉探测。包括两个命令，即“To Schematic”和“To PCB”，分别于在原理图中或在PCB件中查找所 选中的络。“ Copy”复制。于复制某选中络或全部络。“ Show/Hide Columns”：显/隐藏纵向栏。该命令于选择设置左侧窗中的显内容。对于不需要的内容，取消选择，即可隐 藏。“ Preferences”：优先设定。执该命令后，户可以在打开的“ Signal integrity Preference. ”对话框中设置信号完整性分析的相 关选项。该对话框中有若选项卡，不同的选项卡中设置内容是不同的。在信号完整性分析中，到的主要是“ Configuration. ”选项 卡，可设置信号完整性分析的总时间、步长以及串扰分析时传输线间相互影响的距离。“ Set Tolerances”：设置容差。执该命令后，系统会弹出“ Set screening Analysis tolerances”(设置扫描分析公差)对话 框。容差也称为公差，被于限定个误差范围，表允许信号变形的最值和最值。将实际信号与这个范围相较，就可以确定信号是否合 乎要求。在规则中设置容差1. 单击“ Set screening Analysis tolerances”对话框中的“ PCB Signal integrated rules. ”按钮，打开“PCB规则及约束编辑 器”对话框。2. 选中“ Signal integrity. ”下的“ Undershoot-Falling Edge”规则，执“新规则”命令，新建个“UndershootFalling”规 则。3. 单击新建的“UndershootFalling”规则，打开相应的设置对话框，进设置。4. 设置完毕，返回“ Set screening Analysis tolerances”对话框中。可以看到刚才所设置的规则及优先权。“ Display Report. ”：显报告。执该命令后，系统会在当前的程的“ Generated. ”件夹下成本形式的信号完整性分析 报告，同时显在作窗中。2. 功能按钮 “Reanalyze Design. ”：单击该按钮，将重新进次信号完整性分析。“ Model Assignments. ”：单击该按钮，系统将返回到SI模型配置的显窗中.“ Reflection Waveforms”：于进反射分析。单击该按钮，刚进仿真器的编辑环境中，显相应的信号反射波形。 “ Crosstalk Waveforms”：于对选中的络进串扰分析，结果同样会以波形形式显在仿真器编辑环境中。“ Perform Sweep. ”：选中该复选框，系统分析时会按照户所设置的参数范围，对整个设计的信号完整性进扫描，类似于电路原理 图仿真中的参数扫描式。扫描步数可以在后进设置，系统默认选中。“ Suggest. ”：选中该复选框，有关的参数值将由系统根据实际情况进设置，户不能更改；若不选中，则可由进设定。串扰分析的波形显1. 在“ Signal integrity. ”对话框中选择两个络，分别双击，将其移右侧的“络”选项组中。2. 在“ NCS4. ”上右击，从弹出的快捷菜单中执“ Set Aggressor”命令，将其设置为扰源。3. 单击“ Crosstalk Waveforms”按钮，系统开始进串扰分析。4. 分析结束，系统动进仿真编辑环境中，相应串扰分析的波形被显在窗中。反射分析1. 打开程中PCB设计件，进PCB设计环境中。2. 执“设计”-“规则”命令，打开“PCB规则及约束编辑器”对话框。选中“ Signal integrity. ”-“ Signal Stimulus”规则，执 “新规则”命令，新建个“SignalStimulus”规则。3. 单击新建的“SignalStimulus”规则，打开设置对话框，设置“Stimulus类型”为“Periodic Pulse”，取采系统的默认设置。4. 选中“ Signal integrity. ”-“ Supply Nets”规则，执“新规则”命令，新建个“SupplyNets”规则。打开设置对话框， 在“ Where the first object matches. ”中选择“络”，单击按钮，在下拉列表框中选择“+15V”，在“约束”选项组中设 定“电压”值为“15V”。5. 新建个“SupplyNets”规则，在“约束”选项组中设定“电压”值为“- 15V”。再新建个“SupplyNets”规则设置接地 络。6. 实“设计”-“层叠管理”命令，打开“Layer Stack Manager”，进PCB层结构及参数的有关设置，如作层的厚度，导线 的阻抗特性等。7. 执“具”-“ Signal integrity. ”命令，系统开始运信号完整性分析器。8. 单击该提框中的“ Model Assignments. ”按钮，打开SI模型配置显对话框，进元器件SI模型的设定或修改。9. 更新到原理图中之后，单机SI模型配置显对话框中的“ Analyze Design”按钮，打开“SI Setup Options. ”对话框，进选项设 定。10. 单击“SI Setup Options. ”对话框中的“Reanalyze Design”按钮，系统即开始进信号完整性分析。11. 分析完毕“ Signal integrity. ”对话框会打开。选中某络，右击，在弹出的快捷菜单中执“ Details. ”命令，可以查看相关的 详细信息。12. 双击络“NetC5_ 1”，将其移右边的“络”选项组中，单击“ Reflection Waveforms”按钮，系统开始运反射分析。13. 单击窗右下板标签处的“ Editor. ”按钮，在弹出的菜单中执“信号完整性”命令，返回“ Signal integrity. ”对话框中。14. 在“端接式”选项组中，选中“Serial Res”复选框，并设置电阻的阻值范围，最为“25”，最为“100”。选中“执 扫描”复选框，扫描步数采系统的默认值“10”。15. 单击“Reflection Waveforms”按钮。16. 在“ Signal integrity. ”对话框中直接输个具体的串接电阻值“47”，取消选中“执扫描”复选框，以便更清楚的较串接 电阻前后的信号波形变化。17. 单击“Reflection Waveforms”按钮后，反射波形图中有两条曲线，浅曲线是没有串接电阻时的波形，深曲线则是串接了 47电阻后的信号波形，波形中的过充现象已明显减，上升沿及下降沿变得平滑。因此，根据词阻值可以选择个较合适的电阻 串接在PCB的相应络上。声明：该只适于学习，其内容包含来书本的摘抄和总结，欢迎家补充，共同 学习进步。