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(⼗) ——信 号完整性分析
⽬录

信号完整性简介

如今的PCB设计⽇趋复杂，⾼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。⽹络阻抗、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，因⽽进⾏制版前的信号完整性分析更加重要。
AD包含⼀个⾼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上任何⼀个设计 要求(设计规则指定)有问题，即可对PCB进⾏反射或串扰分析，以确定问题的所在。
AD的信号完整性分析与PCB设计过程中⽆缝连接，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，⽤最⼩的代价来解决⾼速电路设计带来的EMC/ EMI(电磁兼容/电磁抗⼲扰)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⼀样，定义设计参数(阻抗等)
·通过运⾏DRC(设计规则检查)，快速定位不符合设计要求的⽹络。
·⽆需特殊经验要求，可在PCB中直接进⾏信号完整性分析。
·提供快速的反射和串扰分析。
·利⽤I/O缓冲器宏模型，⽆需额外的spice或模拟仿真知识。
·完整性分析，结果采⽤⽰波器显⽰显⽰。
·成熟的传输线特性计算和并发仿真算法。
·⽤电阻和电容参数值对不同的终⽌策略进⾏假设分析，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。
· ⾃动模型连接。
· ⽀持I/O缓冲器模型的IBIS2⼯业标准⼦集。
·利⽤完整性宏模型编辑器可⽅便、快速的⾃定义模型。
· 引⽤数据⼿册或测量值。

信号完整性模型

信号完整性分析是建⽴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、仿真模型等⼀起，被系统存放在集成库⽂件中，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(⼆极管类元器件)、以及 BJT(双极性晶体管类元器件)等。需要进⾏信号完整性分析时，⽤户应为设计中所⽤到的每⼀个元器件设置正确的SI模型。

为了简化设定SI模型的操作，并且在进⾏反射、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，很多⼚商为 IC类的元器件提供了现成的引脚模型供设计者选择使⽤，这就是 IBIS( Input/ Output Buffer Information Specification)模型⽂件， 扩展名为“ibs”。
IBIS模型是反映芯⽚驱动和接收电⽓特性的⼀种国际标准。它采⽤简单直观的⽂件格式，提供了直流的电压和电流曲线以及⼀系列的上升和 下降时间、驱动输出电压、封装的寄⽣参数等信息，但并不泄露电路内部结构的知识产权细节，因⽽获得了很多芯⽚⽣产⼚家的⽀持。此 外，由于该模型⽐较简单，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的密度越来越⾼、 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⽤了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⼤量的IBIS，⽤户可对相应的元器件进⾏添加，必要时还可到元器件⽣产⼚商⽹站免费下载相关联的IBIS模 型⽂件。对于实在找不到的 IBIS模型⽂件，设计者还可以采⽤其他的⽅法，如依据芯⽚引脚的功能选⽤相似的IBIS模型，或通过实验测量建 ⽴简单的IBIS模型等。
IBIS模型⽂件的下载及添加
1. 登录Altera公司的⽹站http://www.A ，在其下载中⼼处下载相应的ibis模型⽂件“ 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，该对话框显⽰了元器件的IBIS模型⽂件有关信息：“Unknown”。
4. 单击窗⼝中的“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模型⽂件“Max2.ibs”。
5. 单击“打开”按钮后，该IBIS模型⽂件已被添加成功，系统弹出相应的更新提⽰框.
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。执⾏“设计”->“Update PCB document”命令，可将该更新同步到PCB⽂件中。

信号完整性分析的环境设定

在复杂、⾼速的电路系统中，所⽤到的元器件数量以及种类都⽐较繁多，由于各种原因的限制，在信号完整性分析之前，⽤户未必能逐⼀进 ⾏相应的SI模型设定。因此，执⾏了信号完整性分析的命令之后，系统会⾸先进⾏⾃动检测，给出相应的状态信息，以帮助⽤户完成必要的 SI模型设定与匹配。
1. 打开⼀个点进⾏信号完整性分析的⼯程。
2. 在原理图编辑环境中执⾏“⼯具”->“ Signal integrity”命令，或者在PCB编辑环境中，“⼯具”->“ Signal integrity”命令，开 始运⾏信号完整性分析器，若设计⽂件中存在没有设定SI模型的元器件，则系统会弹出错误信息提⽰框。

3. 单机该提⽰框中的“Model Assignments”按钮，会打开SI模型配置的显⽰对话框，显⽰每⼀元器件的SI模型及其所对应的配置状 态，供⽤户查看或修改。

4. 双击某⼀元器件标识，会打开相应的“ Signal Integrity model”对话框。⽤户可进⾏元器件SI模型的重新设定，包括模型名称、描 述、类型、技术、数值，并可编辑云⾓模型、设置元器件排列或导⼊IBIS模型⽂件等。

5. 在“ Signal integraty model assignments for Mixer_Routed”对话框中，单击“Type”栏或“Value/Type”栏，可直接进⾏ 单项的编辑。如选择某⼀器件，单击其被红⾊⾼亮标记的“Value/Type”栏，会打开“ Part Array editor”(元器件排列编辑器)对话 框。

6. 将黄⾊⾼亮标记的元器件进⾏修改设置。

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”栏中会显⽰“ Model Saved”(模型已保存)的状态信息。

信号完整性的设计规则

与⾃动布局和⾃动布线的过程类似，在PCB上进⾏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”对话框来进⾏的。执⾏“设计”->“规则”命令，打开“PCB规则及约束编 辑器”对话框。在左边⽬录区中，单击“ Signal Integrity”前⾯的+符号展开，可以看到信号完整性分析的规则⼀共有13项。设置时，在 相应项上右击，添加新规则，之后可在新规则界⾯中进⾏具体设置。

1. Signal Stimulus(激励信号)

该规则主要⽤于设置信号完整性分析中的激励信号特性

“约束”选项组中，需要设置的有如下⼏项。
·“ 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”(⾼电平)。 · “开始时间”：激励信号开始时间设置。
· “停⽌时间”：激励信号停⽌时间设置。
· “时间周期”：激励信号周期设置。

2. Overshoot-Falling Edge(信号过冲下降沿)

该规则主要⽤于设置信号下降沿所允许的最⼤过冲值，即低于信号基值的最⼤阻尼振荡。

在“约束”选项组中，只需要设置最⼤过充值的具体数值，即“最⼤(Volts)”，系统默认单位是V。
3. Overshoot-Rising Edge(信号过程上升沿)

该规则与上⾯的Overshoot-Falling Edge规则相对应，主要⽤于设置信号上升沿所允许的最⼤过冲值，既⾼于信号基值的最⼤阻尼振 荡。在“约束”选项组中，只需要设置最⼤过充值的具体数值。

4. Undershoot-Falling Edge(信号下冲下降沿)

该规则主要⽤于设置信号下降沿所允许的最⼤下冲值，即下降沿上⾼于信号基值的最⼤阻尼振荡，具体数值在“约束”选项组中进⾏设置。

5. Undershoot-Rising Edge(信号下冲上升沿)

该规则主要⽤于设置信号上升沿所允许的最⼤下冲值，即上升沿上⾼于信号基值的最⼤阻尼振荡，具体数值在“约束”选项组中进⾏设置。

6. Impedance(阻抗)

该规则⽤于设置电路允许抗的最⼤值和最⼩值。

7. Signal Top Value(信号⾼电平)

该规则⽤于设置信号，在⾼电平状态下所允许的最⼩稳定电压值。

8. Signal Base Value(信号基准)
该规则⽤于设置信号基值电压的最⼤值。

9. Flight Time-Rising Edge(飞⾏时间上升沿)

该规则⽤于设置信号上升源的最⼤延迟时间，⼀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”选项组中进⾏设置， 默认单位为S。

10. Flight Time-Falling Edge(飞⾏时间下降沿)

该规则⽤于设置信号下降沿边沿的最⼤延迟时间，⼀般指实际的输⼊电压到阈值电压之间的时间，具体数值在“约束”选项组中进⾏设置。

11. Slope-Rising Edge(上升沿斜率)

该规则⽤于设置信号的上升沿从阈值电压上升到⾼电平电压所允许的最⼤延迟时间。

12. Slope-Falling Edge(下降沿斜率)
该规则⽤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⼤延迟时间。

13. Supply Nets(电源⽹络)
该规则⽤于设置PCB中电源⽹络或D⽹络的电压值，是在PCB编辑环境下进⾏信号完整性分析时所必须设定的规则。 电源⽹络及地⽹络的设置。
1. 在“ PCB规则及约束编辑器”对话框中，选择“ Signal Integrity”->“ Supply Nets”规则，执⾏“新规则”命令，新建了⼀ 个“Supply Nets”⼦对话框。
2. 单击新建的“Supply Nets”⼦规则，打开相应的设置对话框。
3. 在“名称”⽂本框中输⼊“vcc”，在“ Where the first object matches”(第1个匹配对象的位置)中选择“⽹络”，单击按 钮，在下拉列表框中选择“ Vccint”并在下⾯的“约束”选项组中设定“电压”值为“5V”。
4. 单击“应⽤”按钮，完成该规则的设置。
5. 再次选中“Supply Nets”规则，执⾏“新规则”命令，新建⼀个“Supply Nets”⼦规则。
6. 打开设置窗⼝，在“名称”⽂本框中输⼊“ GND”，在“ Where's the first object matches”中选择“⽹络”，单击按钮，在下 拉列表框中选择“ GND”并在下⾯的“约束”选项组中设定“电压”值为“0V”。
7. 单击“应⽤”按钮，完成该规则的设置。

进⾏信号完整性的分析

信号完整性分析可以分为两步进⾏：第⼀步是对所有可能需要进⾏分析的⽹络进⾏⼀次初步的分析，从中可以了解到哪些⽹络的信号完整性 最差；第⼆步是筛选出⼀些关键信号进⾏进⼀步的分析，已达到设计优化的⽬的，这两步的具体时间都是在信号完整性分析器中进⾏的。
信号完整性分析器

启动信号完整性分析器
1. 在PCB编辑⽂件中设置了信号完整性分析的有关规则之后，执⾏“⼯具”->“signal integrity”命令，系统开始运⾏信号完整性分析 器。
2. 单击该提⽰框中的“ Model assignments”按钮，打开SI模型配置显⽰对话框，根据提⽰，进⾏元器件SI模型的设定或修改。
3. 更新到原理图中之后，单机SI模型配置显⽰对话框中的“ Reanalyze Design. ”按钮，打开“SI Setup options. ”对话框。同时，在 ⼯作窗⼝的右下⾓⾯板标签处会出现⼀个“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 ⽤于没有设置布线阻抗的全部⽹络，设置了布线阻抗的⽹络则使⽤设定的阻抗规则进⾏信号完整性分析；“Average Track Length”适⽤ 于全部未布线的⽹络，选中“ Use Manhattan Length”复选框后，将使⽤曼哈顿布线的长度。

4. 单击“SI Setup options. ”对话框中的“ Analyze design”按钮，系统即开始进⾏信号完整性分析。分析完毕后会打开“ Signal integrity. ”对话框。
在该对话框的左侧显⽰了进⾏信号完整性初步分析的结果，包括各⽹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 可进⾏相应的设置，并对设计进⾏进⼀步的分析和优化。

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”按钮或在左侧窗⼝中右击，都会 打开命令菜单。
·“ Select Net”选择⽹络。执⾏该命令，会将左侧窗⼝中某⼀选中的⽹络添加到右侧的“⽹络”选项组中。
·“ Details. ”详细。执⾏该命令，系统会打开“ Full Result. ”对话框，⽤于显⽰某⼀选中⽹络的详细分析结果，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”：查找相关联⽹络。执⾏该命令后，所有与选中⽹络有关联的⽹络都会在左侧窗⼝中以选中状态显⽰出来。
·“ Cross Probe”：交叉探测。包括两个⼦命令，即“To Schematic”和“To PCB”，分别⽤于在原理图中或在PCB⽂件中查找所 选中的⽹络。
·“ Copy”复制。⽤于复制某⼀选中⽹络或全部⽹络。

·“ Show/Hide Columns”：显⽰/隐藏纵向栏。该命令⽤于选择设置左侧窗⼝中的显⽰内容。对于不需要的内容，取消选择，即可隐 藏。
·“ Preferences”：优先设定。执⾏该命令后，⽤户可以在打开的“ Signal integrity Preference. ”对话框中设置信号完整性分析的相 关选项。该对话框中有若⼲选项卡，不同的选项卡中设置内容是不同的。在信号完整性分析中，⽤到的主要是“ 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。执⾏该命令后，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，被⽤于限定⼀个误差范围，表⽰允许信号变形的最⼤值和最⼩值。将实际信号与这个范围相⽐较，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，执⾏“新规则”命令，新建⼀个“UndershootFalling”⼦规 则。
3. 单击新建的“UndershootFalling”⼦规则，打开相应的设置对话框，进⾏设置。
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. ”：显⽰报告。执⾏该命令后，系统会在当前的⼯程的“ Generated. ”⽂件夹下⽣成⽂本形式的信号完整性分析 报告，同时显⽰在⼯作窗⼝中。
2. 功能按钮
· “Reanalyze Design. ”：单击该按钮，将重新进⾏⼀次信号完整性分析。
·“ Model Assignments. ”：单击该按钮，系统将返回到SI模型配置的显⽰窗⼝中.
·“ Reflection Waveforms”：⽤于进⾏反射分析。单击该按钮，刚进⼊仿真器的编辑环境中，显⽰相应的信号反射波形。 ·“ Crosstalk Waveforms”：⽤于对选中的⽹络进⾏串扰分析，结果同样会以波形形式显⽰在仿真器编辑环境中。

·“ Perform Sweep. ”：选中该复选框，系统分析时会按照⽤户所设置的参数范围，对整个设计的信号完整性进⾏扫描，类似于电路原理 图仿真中的参数扫描⽅式。扫描步数可以在后⾯进⾏设置，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⾏设置，⽤户不能更改；若不选中，则可⾃由进⾏设定。

串扰分析的波形显⽰
1. 在“ Signal integrity. ”对话框中选择两个⽹络，分别双击，将其移⼊右侧的“⽹络”选项组中。
2. 在“ NCS4. ”上右击，从弹出的快捷菜单中执⾏“ Set Aggressor”命令，将其设置为⼲扰源。
3. 单击“ Crosstalk Waveforms”按钮，系统开始进⾏串扰分析。
4. 分析结束，系统⾃动进⼊仿真编辑环境中，相应串扰分析的波形被显⽰在窗⼝中。

反射分析

1. 打开⼯程中PCB设计⽂件，进⼊PCB设计环境中。
2. 执⾏“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 ⾏“新规则”命令，新建⼀个“SignalStimulus”⼦规则。
3. 单击新建的“SignalStimulus”⼦规则，打开设置对话框，设置“Stimulus类型”为“Periodic Pulse”，取采⽤系统的默认设置。
4. 选中“ Signal integrity. ”->“ Supply Nets”规则，执⾏“新规则”命令，新建⼀个“SupplyNets”⼦规则。打开设置对话框， 在“ Where the first object matches. ”中选择“⽹络”，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. 新建⼀个“SupplyNets”⼦规则，在“约束”选项组中设定“电压”值为“- 15V”。再新建⼀个“SupplyNets”⼦规则设置接地⽹ 络。
6. 实⾏“设计”->“层叠管理”命令，打开“Layer Stack Manager”，进⾏PCB层结构及参数的有关设置，如⼯作层⾯的厚度，导线 的阻抗特性等。
7. 执⾏“⼯具”->“ Signal integrity. ”命令，系统开始运⾏信号完整性分析器。
8. 单击该提⽰框中的“ Model Assignments. ”按钮，打开SI模型配置显⽰对话框，进⾏元器件SI模型的设定或修改。
9. 更新到原理图中之后，单机SI模型配置显⽰对话框中的“ Analyze Design”按钮，打开“SI Setup Options. ”对话框，进⾏选项设 定。
10. 单击“SI Setup Options. ”对话框中的“Reanalyze Design”按钮，系统即开始进⾏信号完整性分析。
11. 分析完毕“ Signal integrity. ”对话框会打开。选中某⼀⽹络，右击，在弹出的快捷菜单中执⾏“ Details. ”命令，可以查看相关的 详细信息。
12. 双击⽹络“NetC5_ 1”，将其移⼊右边的“⽹络”选项组中，单击“ Reflection Waveforms”按钮，系统开始运⾏反射分析。
13. 单击窗⼝右下⾓⾯板标签处的“ Editor. ”按钮，在弹出的菜单中执⾏“信号完整性”命令，返回“ Signal integrity. ”对话框中。
14. 在“端接⽅式”选项组中，选中“Serial Res”复选框，并设置电阻的阻值范围，最⼩为“25Ω”，最⼤为“100Ω”。选中“执⾏ 扫描”复选框，扫描步数采⽤系统的默认值“10”。
15. 单击“Reflection Waveforms”按钮。
16. 在“ Signal integrity. ”对话框中直接输⼊⼀个具体的串接电阻值“47Ω”，取消选中“执⾏扫描”复选框，以便更清楚的⽐较串接 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，浅⾊曲线是没有串接电阻时的波形，⽽深⾊曲线则是串接了 47Ω电阻后的信号波形，波形中的过充现象已明显减⼩，上升沿及下降沿变得平滑。因此，根据词阻值可以选择⼀个⽐较合适的电阻 串接在PCB的相应⽹络上。
声明：该⽂只适⽤于学习，其内容包含来⾃书本的摘抄和总结，欢迎⼤家补充，共同 学习进步。