信号完整性分析

1信号完整性分析软件学院侯刚2主要内容信号完整性分析概述信号完整性分析规则设置信号完整性分析器3信号完整性分析概述随着电路设计的新工艺、新器件的迅猛发展，高速器件在高速电路设计中的应用已日趋广泛。在这种高速电路系统中，数据的传送速率和时钟的工作频率都相当高，而且由于功能的复杂多样，电路密集度也相当大。高速电路设计的重点将与低速电路设计时截然不同，不再仅仅是元件的合理放置与导线的正确连接，还应该对信号的完整性(SignalIntegrity，SI)问题给与充分的考虑。否则，即使原理图正确，系统可能也无法正常工作。4信号完整性分析概述信号完整性分析是重要的高速PCB板极和系统极分析和设计的手段，在硬件电路设计中发挥着越来越重要的作用。Protel99SE提供了具有较强功能的信号完整性分析器，以及实用的SI专用工具，使Protel99SE用户在软件上就能模拟出整个电路板各个网络的工作情况，同时还提供了多种补偿方案，帮助用户进一步优化自己的电路设计。5信号完整性分析概述我们从以下几个方面对信号完整性分析的基本知识进行学习：信号完整性分析概念常见的信号完整性问题信号完整性分析工具6信号完整性分析概念所谓信号完整性，顾名思义，就是指信号通过信号线传输后仍能保持完整，即仍能保持其正确的功能而未受到损伤的一种特性。具体来说，是指信号在电路中以正确的时序和电压做出响应能力。当电路中的信号能够以正确的时序、持续的时间和电压的幅度进行传送，并到达输出端时，说明该电路具有良好的信号完整性；而当信号不能正常响应，就出现了信号完整性问题。7信号完整性分析概念一个数字系统能否正确工作，其关键在于信号定时是否准确。信号定时与信号在传输线上的传输延迟，以及信号波形的损坏程度都有密切关系。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是由板极设计中的多种因素共同引起的。仿真证实，集成电路的切换速度过高，端接元件的布设不正确，电路的互连不合理等，都会引发信号完整性问题。8常见的信号完整性问题1、传输延时(TransmissionDelay)传输延时表明数据或时钟没有在规定的时间内，以一定的持续时间和幅度到达接收端。信号延时是驱动过载、走线过长的传输线效应引起的。传输线上的等效电容、电感会对信号的数字切换产生延时，影响集成电路的建立时间和保持时间，集成电路只能按照规定的时序来接收数据，延时过长会导致集成电路无法正确判断数据，则电路将不能正常工作，甚至完全不能工作。在高频电路设计中，信号的传输延时是一个完全无法避免的问题。为此引入了一个延迟容限的概念，即在保证电路能够正常工作的前提下，所允许的信号最大时序变化量。9常见的信号完整性问题2、串扰(Crosstalk)串扰是没有电器连接的信号线之间的感应电压和感应电流所导致的电磁耦合。这种耦合会使信号线起着天线的作用。其容性耦合会引发耦合电流，感性耦合会引发耦合电压，并且随着时钟频率的升高和设计尺寸的缩小而加大。这是由于信号线上有交变的信号电流通过时，会产生交变磁场，处于该磁场中其他信号线会感应出信号电压。印制电路板层的参数、信号线的距离、驱动端和接收端的电器特性，以及信号线的端接收方式等，都对串扰有一定的影响。10常见的信号完整性问题3、反射(Reflection)反射就是传输线上的回波。信号功率的一部分经传输线传给负载，另一部分则向源端反射。在高速设计中，可以把导线等效为传输线，而不再是集总参数电路中的导线。如果阻抗匹配(源端阻抗、传输线阻抗和负载阻抗等)，则反射不会发生；反之，若负载阻抗与传输线阻抗失配就会导致接收端反射。布线的某些几何形状，不适当的端接，经过连接器的传输及电源平面不连续等，均会导致信号的反射。反射会导致传送信号出现严重的过冲(Overshoot)或下冲(Undershoot)现象，致使波形变形、逻辑混乱。11常见的信号完整性问题4、接地反弹接地反弹是指由于电路中较大的电流涌动，在电源与接地平面间产生大量噪声的现象。如大量芯片同步切换时，会产生一个较大的瞬态电流从芯片与电流平面间流过，芯片封装与电源间的寄生电感、电容和电阻会引发电流噪声，使得零电位平面上产生较大的电压波动(可能高达2V)，足以造成其他元件误动作。由于接地平面的分割(分为数字接地、模拟接地和屏蔽接地等)，可能引起数字信号传到模拟接地区域时，会产生接地平面回流反弹。同样，电源平面分割也可能出现类似危害。负载容性的增大、阻性的减少、寄生参数的增大、切换速度的增高，以及同步切换数目的增加，都可能导致接地反弹的增加。12常见的信号完整性问题除上述问题之外，在高频电路设计中还存在有其他一些与电路功能本身无关的信号完整性问题，如电路板上的网络阻抗和电磁兼容性等。在实际的制作PCB印制板之前，应该进行信号完整性分析，以提高设计的可靠性和降低设计成本。13信号完整性分析工具Protel99SE包含一个高级信号完整性仿真器。它能分析PCB设计并检查设计参数，测试过冲、下冲、线路阻抗和信号斜率。如果PCB上任何一个设计要求(由DRC指定的)有问题，即可对PCB进行反射或串扰分析，以确定问题所在。Protel99SE的信号完整性分析和PCB设计模块是无缝连接的。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、上升时间、下降时间和线路阻抗等问题。在印制电路板制造前，应以最小的代价来解决高速电路设计带来的问题和EMC/EMI(电磁兼容性/电磁抗干扰)等问题。14信号完整性分析工具Protel99SE的信号完整性分析模块的设计特征如下：设置简单，可以像在PCB编辑器中定义设计规则一样定义设计参数。通过运行DRC，可以快速定位不符合设计要求的网络。无需特殊的经验，可以从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，无须额外的SPICE或模型仿真知识。信号完整性分析的结果采用示波器形式显示。15信号完整性分析工具采用成熟的传输线特征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，并可对逻辑块进行快速替换。提供IC模型库，包括校验模型。宏模型逼近使得仿真更快、更精确。自动模型连接。支持I/O缓冲器模型的IBIS2工业标准子集。利用信号完整性宏模型可以快速地自定义模型。16信号完整性分析规则设置Protel99SE中包含了许多信号完整性分析的规则。这些规则用于在PCB设计中检测一些潜在的信号完整性问题。在PCB编辑环境中，选择DesignRules命令，将弹出“PCB设计规则设置”对话框。在对话框中切换到“SignalIntegrity”选项卡，即可看到各种信号完整性分析选项，可以根据设计工作的要求选择所需的规则设置。17信号完整性分析规则设置1、激励信号规则(SignalStimulus)规则设置激励信号的种类，包括3种选项：“ConstantLevel”表示激励信号为某个常数电平；“SinglePulse”表示激励信号为单脉冲信号；“PeriodicPulse”表示激励信号为周期性脉冲信号设置激励信号的初始电平，仅对“SinglePulse”和“PeriodicPulse”有效，设置初始电平为低电平选择LowLevel，设置初始电平为高电平选择HighLevel。设置激励信号高电平脉宽的起始时间设置激励信号高电平脉宽的终止时间设置激励信号周期注意添加时间单位18信号完整性分析规则设置2、信号过冲的下降沿(Overshoot-FallingEdge)规则：信号过冲的下降沿定义了信号下降边沿允许的最大过冲位，也即信号下降沿上低于信号基值的最大阻尼振荡，系统默认单位是伏特。19信号完整性分析规则设置3、信号过冲的上升沿(Overshoot-RisingEdge)规则：信号过冲的上升沿与信号过冲下降沿是相对应的。它定义了信号上升边沿允许的最大过冲值，也即信号上升沿上高于信号上位值的最大阻尼振荡，系统默认是伏特。20信号完整性分析规则设置4、信号下冲的下降沿(Undershoot-FallingEdge)规则：信号下冲和信号过冲略有区别。信号下冲的下降沿定义了信号下降边沿允许的最大下冲值，也即信号下降沿上高于信号基值的阻尼振荡，系统默认是伏特。21信号完整性分析规则设置5、信号下冲的上升沿(Undershoot-RisingEdge)规则：信号下冲的上升沿与信号下冲的下降沿是相对应的。它定义了信号上升边沿允许的最大下冲值，也即信号上升沿上低于信号上位置的阻尼振荡，系统默认单位是伏特。22信号完整性分析规则设置6、阻抗约束(ImpedanceConstraint)规则：阻抗约束定义了电路板上所允许的电阻的最大和最小值，系统默认单位是欧姆。阻抗和导体的几何外观、导电率、导体外的绝缘层材料及电路板的几何物理分布相关。23信号完整性分析规则设置7、信号高电平(SignalTopValue)规则：信号高电平定义了线路上信号在高电平状态下所允许的最小稳定电压值，即信号上位值的最小电压，系统默认单位是伏特。24信号完整性分析规则设置8、信号基值(SignalBaseValue)规则：信号基值与信号高电平是相对应的。它定义了线路上信号在低电平状态下所允许的最大稳定电压值，也即信号的最大基值，系统默认单位是伏特。25信号完整性分析规则设置9、飞升时间的上升沿(FlightTime-RisingEdge)规则：飞升时间的上升沿定义了信号上升边沿允许的最大飞行时间，即信号上升边沿到达信号设定值的50%时所需的时间，系统默认单位是秒。26信号完整性分析规则设置10、飞升时间的下降沿(FlightTime-FallingEdge)规则：飞升时间的下降沿是相互连接的结构的输入信号延迟。它是实际的输入电压到门限电压之间的时间，小于这个时间将驱动一个基准负载。该负载直接与输出相连接。飞升时间的下降沿与飞升时间的上升沿是相对应的。它定义了信号下降边沿允许的最大飞行时间，也即信号下降边沿到达信号设定值的50%时所需的时间，系统默认是秒。27信号完整性分析规则设置11、上升边沿斜率(Slope-RisingEdge)规则：上升边沿斜率定义了信号从门限电压上升到一个有效的高电平时所允许的最大值，系统默认单位是秒。28信号完整性分析规则设置12、下降边沿斜率(Slope-FallingEdge)规则：下降边沿斜率与上升边沿斜率是相对应的，它定义了信号从门限电压下降到一个有效的低电平时所允许的最大时间，系统默认单位是秒。29信号完整性分析规则设置13、电源网络(SupplyNets)规则：电源网络定义了电路板上的电源网络标号。信号完整性分析器需要了解电源网络标号的名称和电压位。30信号完整性分析器在进行信号完整性分析中，所涉及到一种重要工具就是信号完整性分析器。信号完整性分析可以分为两大步进行：第一步对所有可能需要进行分析的网络进行一次初步分析，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信号进行进一步的分析。这两步的具体实现都是在信号完整性分析器中进行。Protel99SE提供了一个高级的信号完整性分析器。它能精确地模拟分析已步好线的PCB，可以测试网络阻抗、下冲、过冲和信号斜率。31信号完整性分析器启动方法：打开某一PCB文件，选择ToolSignalIntegrity命令，系统开始运行信号完整性分析器。节点列表框32信号完整性分析器设置印制板结构参数、元件类型、节点类型：1、设置制板结构参数：执行EditLayerStack非电器参数类型基板厚度介电常数铜膜厚度33信号完整性分析器2、设置原件类型：执行EditComponents，检查并重新设置原件类型。三极管电容接口二极管集成器件电感电阻34信号完整性分析器3、设置节点类型：执行EditNets，检查并设置节点类型。对于电源节点还需设置电压大小，使之与实际情况相符。35信号完整性分析器运行信号完整性分析对信号完整性分析参数进行了必要设置后，就可以在“信号完整