信号完整性分析技术

信号完整性分析技术

吴伯春，龚清萍

（中国航空无线电电子研究所，上海 200233）

[摘 要] 随着微电子技术和计算机技术的不断发展，信号完整性分析的应用已经成为解决高速系统设计的唯一有效途径。本文概要地介绍了信号完整性（SI）的定义及解决的主要问题；基于信号完整性分析的PCB设计；信号完整性分析模型和信号完整性仿真工具。

[关键词] 印刷电路板；信号完整性；分析；模型；定义

[中图分类号] TN41 [文献标识码] A [文章编号] 1006-141X(2004)02-0020-05

Signal Integrity Analysis Technology

WU Bo-chun, GONG Qing-ping

(Chinese Aeronautical Radio Electronics Research Institute, Shanghai 200233, China)

Abstract: With the development of micro-electronics technology and computer technology, application of signalintegrity analysis is the only way to solve highspeed system design. In this paper, signal integrity definition, PCB designbased on signal integrity, signal integrity model and signal integrity simulation tools are introduced sunnarily.Key words: PCB; signal integrity; analysis; model; definition

1 概述

随着微电子技术和计算机技术的不断发展，

信号完整性分析的应用已经成为解决高速系统设计的唯一有效途径。

今天，PCB设计的时间越来越短，越来越小的电路板空间，越来越高的器件密度，极其苛刻的布局规则和大尺寸的元件使得设计师的工作更加困难。采用SI分析方法及相关技术的应用，可在PCB设计前期进行信号规则的分析（如时序和关键信号的分析），然后将分析所得的电气规则输入布线工具进行具体布线设计，这样既可在设计过程中保证信号质量，又可节省人力、提高设计效率和满足市场要求。而这也正是现今国际领先的PCB设计方法和流程，脱离了SI分析技术就无法作到这一点。

在涉及通信、国防、航空航天、工业自动化、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，集成规模越来越大，I/O数越来越多，单板互连密度不断加大；时钟速率越来越高，信号边缘速率越来越快；产品研发周期的不断缩短，一次性设计的成功非常重要；凡此种种，导致高速电路中的信号完整性问题变得越来越突出。反射、串扰、传输时延、地/电层噪声等，都可能严重影响设计的功能正确性。若在电路板设计时不考虑其影响，逻辑功能正确的电路在调试时往往也会无法正常工作。信号完整性分析（SI）的重要作用这时就越发清晰地呈现出来，

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2 信号完整性分析

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2.1 信号完整性（SI）定义

信号完整性是指信号在信号线上的质量。信号具有良好的信号完整性是指信号在需要的时候，具有所必需达到相应的电压电平和时间指标。

信号完整性具有以下两个基本条件：（1）空间完整性，又称信号幅值完整性，为满足电路的最小输入高电平和最大输入低电平要求；（2）时间完整性，为满足电路的最小建立和维持时间。2.2 信号完整性解决的主要问题

SI应用的是传统的传输线、电磁学等理论和复杂的算法，主要解决以下几个方面的问题：

（1）电源分布

电源分布网络是高速电路板设计中最重要的考虑因素。电源分布网络必须为低噪声的电路板上各部分电路提供一个低噪声的电源，包括VCC和接地。电源分布网络同时还得为电路板上所有产生或接受的信号提供一个信号回路。

（2）串扰（Crosstalk）

串扰是指线迹之间不必要的信号耦合，它可以是电容性的或者是电感的。电容性串扰是指信号线路之间的信号电容耦合，当线路以一定的距离彼此靠近时，会出现这种情况。电感的串扰可以看作是不需要的变压器的原线圈和次级线圈之间的信号耦合。变压器的线圈就是电路板或者系统上的电流环路，它可能是由无效的布局造成的人造环路，也可能是信号路径和信号返回路径综合形成的自然环路。

（3）反射、过冲、振铃、多次跨越逻辑电平错误

传输过程中的任何不均匀(如阻抗变化、直角线或过孔)都会引起信号的反射，反射的结果对模拟信号（正弦波）将形成驻波，对数字信号则表现为上升沿、下降的振铃和过冲。

（4）电磁兼容性（EMC）

EMC是研究在有限的空间、时间和频谱资源的功能条件下，各种电气设备可以共同工作，并不发生降级的科学。另外一种解释，EMC是一种技术，这种技术的目的在于使电气装置或系统在共同的电磁环境条件下，既不受电磁环境的影响，也不

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会给环境以这种影响。换句话说，就是它不会因为周边的电磁环境而导致性能降低、功能丧失或损坏，也不会在周边环境中产生过量的电磁能量，以致影响周边设备的正常工作。2.3 影响信号完整性的主要因素

PCB板上的信号传输速率越来越高，PCB走线已经表现出传输线的性质。在集总电路中视为短路线的连线上，在同一时刻的不同位置的电流电压已经不同，所以集总参数在这时已经不起作用了，必须采用分布参数传输线理论来处理。如果线长度大于信号传输有效长度的1/6－1/4，那么我们就看做是一个分布式系统。

影响信号完整性的主要因素有：

（１）延迟：源于信号在PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。信号的延迟会对系统的时序产生影响，在高速数字系统中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。

（2）反射噪声(振铃噪声)：源于信号线网的阻抗失配、分岔、过孔、弯曲及其它阻抗不连续性。

（3）串扰噪声：源于信号线网之间、信号系统和电源分布系统之间、过孔之间的电磁耦合。

（4）瞬变电流噪声(Delta-I noise）：源于由过孔、电源/地层的分割导致的回流路径的不连续，瞬间电流特别当多个驱动同时翻转时在电源/地层上产生的电压波动。瞬变电流噪声对信号畸变的作用有时大大超出信号线网间串扰的影响。

（5）谐振：电磁场在PCB/MCM物理结构内部的传输、在金属板边的反射，物理结构的自身振荡。

（6）EMC/EMI：微带线、电源/地金属层对外的电磁辐射。

（7）PCB层设置、PCB材料影响传输线特性阻抗等，线宽、线长、线间距在高速、高密度PCB设计中的影响，阻抗匹配、负载及拓扑结构的影响。

（8）温度、工艺等对设计参数的影响。

3 基于信号完整性分析的PCB设计

信号完整性问题解决得越早，设计的效率就

June 2004 Vol.35 No.2 (serial No.115) 航 空 电 子 技 术AVIONICS TECHNOLOGY

越高，可避免在电路板设计完成之后才增加端接器件，同时还能避免重复的设计和制板，提高一次性成功设计的可能性，从而降低开发成本，缩短产品开发周期。

3.1 基于信号完整性分析的PCB设计流程

基于信号完整性分析的PCB设计流程如图1所示。

建立SI模型布线前SI 仿真度等。

关于布线、拓扑结构和端接方式，工程师通常可以从 CPU 制造商那里获得大量建议，然而，这些设计指南还有必要与制造过程结合起来。3.4 信号完整性分析模型的选用

（1）对于分立的无源器件，可以寻求厂家提供的SPICE模型，或者通过实验测量直接建立并使用简化的SPICE模型。

（2）对于关键的数字集成电路，则必须寻求厂家提供的IBIS模型。目前大多数集成电路设计和制造商都能够通过Web网站或其它方式在提供芯片的同时提供所需的IBIS模型。

（3）对于非关键的集成电路，若无法得到厂家的IBIS模型，还可以依据芯片引脚的功能选用相似的或缺省的IBIS模型。当然，也可以通过实验测量来建立简化的IBIS模型。

（4）对于PCB板上的传输线，在进行信号完整性预分析及解空间分析时可采用简化的传输线SPICE模型，而在布线后的分析中则需要依据实际的版图设计使用完整的传输线SPICE模型。

（5）对于超高速电路，且精确度要求较高时，可选用SPICE模型。

（6）仿真规模较大时，可选用IBIS模型。

电路、逻辑设计CAD板图布局电路板的层叠串扰和阻抗控制少量修改设计布线后SI仿真布线阶段确定重要的高速节点PCB制造图1 PCB设计流程

3.2 PCB层叠设计

多层印制板为了有更好的电磁兼容性设计，使印制板在正常工作时能满足电磁兼容和敏感度标准，正确的堆叠有助于屏蔽和抑制EMI。

CAD工程师在完成布局（或预布局）后，重点对本板的布线瓶颈处进行分析，再结合EDA软件关于布线密度（PIN/RAT）的报告参数，综合本板诸如差分线、敏感信号线、特殊拓扑结构等有特殊布线要求的信号数量、种类确定布线层数；再根据单板的电源、地的种类、分布、有特殊布线需求的信号层数，综合单板的性能指标要求与成本承受能力，确定单板的电源、地的层数以及它们与信号层的相对排布位置。3.3 阻抗控制和阻抗匹配

阻抗合理的控制是高速设计中的基本条件, 阻抗匹配不但可以消除信号的反射，还可以降低串扰、EMI问题的发生。而阻抗匹配的前提是良好的阻抗控制。

走线类型、介质厚度、线宽、线间距、介质材料等都对阻抗有贡献，需要综合考虑这些影响。要做好阻抗控制首先要了解PCB厂家的板材情况，然后根据PCB的层压结构确定线宽、介质厚

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4 信号完整性分析模型

4.1 SPICE（Simulation Program with IC Emphasis）

模型

SPICE模型由两部分组成：模型方程式和模型参数。SPICE模型实际上是一个根据原理图中各元器件的连接关系创建相应的网表文件，该网表是有一系列子电路组成的，用户通过调用相关的子电路模块就可以简单的建立模拟网表。原理图中各元器件的SPICE参数主要表征元器件的物理特性和电特性。参数描述的充分性和精确性将决定模拟结果的准确性。SPICE模型技术相对成熟，模拟精度也比较高，但是泄露制造工艺信息，不利于IP保护，因此模型的获取比较困难。

4.2 IBIS（I/O Buffer Information Specification）模

型

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IBIS模型采用I/V和V/T表的形式来描述数字集成电路I/O单元和引脚的特性。IBIS模型的分析精度主要取决于I/V和V/T表的数据点数和数据的精确度。IBIS模型的PCB板级仿真采用查表计算，因而计算量较小，通常只有相应的SPICE模型的1/10到1/100， 模拟速度快。IBIS模型保护自主知识产权，因而模型易于获取和理解，但不足之处在于缺乏对转换噪声的建模能力，不能理想地处理上升时间受控的驱动器类型的电路。

4.3 IMIC（Interface Models for Integrated Circuit）

模型

IMIC模型基于SPICE，它可以利用RLC网络，通过查表和SPICE的其他扩展表述I/O之间以及I/O与功率和接地之间的相互关系。IMIC模型在表述某些信号完整性问题，如输出转换率、地电平抖动和芯片封装所引起的信号质量变差等方面，要比IBIS模型准确得多。IMIC模型与IBIS模型一样不泄露器件制造工艺过程中的专用信息。4.4 Verilog-AMS模型和VHDL-AMS模型

VHDL-AMS/Verilog-AMS模型是一种用来设计模拟和混合信号行为的建模语言，主要用于数模协同仿真。与IBIS模型相类似，AMS建模语言是独立的模型格式，可以应用在多种不同类型的仿真工具中。与SPICE和IBIS模型不同的是，在AMS语言中是由用户来编写描述元器件行为的方程式。AMS方程式能够在多种不同的层次上来编写晶体管级、I/O 单元级、I/O 单元组等。由于Verilog-AMS和VHDL-AMS是一种新的标准，迄今为止只有少数的半导体厂商能够提供AMS模型，目前能够支持AMS的仿真器也比SPICE和IBIS的要少。

组成部分如背板、连接器、电缆及其接口进行分析，这就是系统级的SI分析工具。

迫于开发周期和开发成本的压力，设计师需要快速、精确、实用的工具来分析和解决PCB设计中的信号完整性问题。

5.1 CADENCE公司的高速系统板级设计工具

SPECCTRAQuest是CADENCE公司提供的一种高速系统板级设计工具，通过它可以控制与PCBlayout相应的限制条件。在SPECCTRAQuest菜单下集成了以下工具：

（1）SigXplorer拓扑结构研发环境，可以进行走线拓扑结构的编辑。可在工具中定义和控制延时、特性阻抗、驱动和负载的类型和数量、拓扑结构以及终端负载的类型等。可在PCB详细设计前使用此工具，对互连线的不同情况进行仿真，把仿真结果成为拓扑结构模板，在后期详细设计中应用这些模板进行设计。

（2）DF/Signoise信噪分析子系统，可提供复杂的信号延时和信号畸变分析、IBIS模型库的设置开发功能。SigNoise是SPECCTRAQUEST SIExpert和SQ Signal Explorer Expert进行分析仿真的仿真引擎，利用SigNoise可以进行反射、串扰、SSN、EMI、源同步及系统级的仿真。

（3）EMControl电磁兼容设计工具，内置EMC设计经验，可以在设计的任何阶段进行规则检查，通过连续地进行EMC分析和微调，可以减少或消除与EMC设计相关的大量开销。5.2 Ansoft公司的仿真工具

Ansoft的SIwave是一种创新的信号完整性工具，它尤其适于解决现在高速PCB和复杂IC封装中普遍存在的电源输送和信号完整性问题。

该工具采用基于混合、全波及有限元技术的新颖方法，它允许工程师们特性化同步开关噪声、电源散射和地散射、谐振、反射以及引线条和电源/地平面之间的耦合。该工具采用一个仿真方案解决整个设计问题，缩短了设计时间。

它可分析复杂的线路设计，该设计由多重任意形状的电源和接地层，以及任何数量的过孔和信号引线条构成。仿真结果采用先进的3D图形方式

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5 信号完整性仿真工具介绍

新一代的EDA信号完整性工具主要包括布线

前 /布线后SI分析工具和系统级SI工具等。使用布线前SI分析工具可以根据设计对信号完整性与时序的要求在布线前帮助设计者选择元器件、调整元器件布局、规划系统时钟网络和确定关键线网的端接策略。SI分析与仿真工具不仅可以对一块PCB板的信号流进行分析，而且可以对同一系统内其它

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显示，它还可产生等效电路模型，使商业用户能够长期采用全波技术，而不必一定使用专有仿真器。5.3 Zuken公司的虚拟原型设计工具

该公司首次推出最新版虚拟原型设计产品，用于其“线路板完整性”设计流程中。新产品Hot-Stage 4通过引入一致的、约束驱动的工程环境，在高速PCB设计工艺方面引起了一场革命。

此新产品包含基于电子制表软件的约束管理器、自动约束向导、\"假设分析\"编辑器、嵌入式布线器，具有在线仿真、验证以及EMI和热分析等功能。

Hot-Stage 4能够解决当今高速设计过程中的信号完整性、EMI、散热以及可制造性等问题，为设计工程师和布局工程师提供了一种设计纠正方法。工程师输入约束条件，该工具便可自动合成满足要求的设计。约束条件是须在类似Windows的环境中进行管理。其树状浏览器可以方便地设计索引，而电子制表软件可以编辑电气约束条件并显示非法约束，所有这些均在一个界面中实现，因此减少了重复设计，降低了生产成本，并缩短了产品上市时间。

独立选项Hot-Stage EMI通过快速检查辐射效应的全板扫描，进一步增强了该产品的功能。据称这是判断辐射源的有效方法，可使用户事先了解整个线路板的EMC性能，并帮助避免由EMC性能差而带来的问题。

5.4 Mentor Graphics公司的ICX 3.0

随着高速器件、连接器、集成电路应用的日益增多，对集成多种建模语言的PCB信号完整性设计工具的需求量也越来越大。Mentor Graphics公司的ICX 3.0就是一种可选的方案，它在单一仿真环境下支持SPICE、IBIS和VHDL-AMS的PCB信号完整性工具，从而避免因模型种类不同、采用多种不同来源的EDA工具集所带来的开发周期被拖延的问题。

6 结束语

将SI深入地融入到产品开发尤其是高速电路

设计当中，最终为产品设计提供优化的解决方案，已经成了产品成功的关键一环。

信号完整性工程设计在国外已是一种专门的职业。INTEL、CISCO、MOTOROLA、AMP、LUCENT、IBM、HP等许多公司都已有自己专职的工程师。另外，几乎每个产品的开发团队中也都有专职或兼职的CAD/SI设计人员，他们和电路设计工程师协同工作，解决产品中经常出现的高速高密设计问题。

国内在该领域除了极个别知名企业有这种专门团队进行过多年探索研究外，对大多数企业来说，在该领域几乎还是个空白，这就带来了很多问题，同时也已引起了国内同行的重大关注。因此，广大电子工程人员要尽早掌握这一先进技术，这不仅是提高设计效率的需要，更是我国电子工业在世界市场上生存、竟争与发展的需要。

参 考 文 献

[1] Application note, AMD Inc. High-speed board design techniques[EB/OL]. http://www.pcbtech.net.[2] Howard W. Johnson, Martin Graham, PH.D. High-speed digital design[EB/OL]. http://www.pcbtech.net.

[收稿日期] 2004-03-26

[作者简介] 吴伯春（1978-），男，毕业于上海铁道大学信息工程专业，研究方向为计算机应用技术。

龚清萍（1973-），女，毕业于南京航空航天大学无线通信专业，研究方向为计算机应用技术。

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