通过信号完整性分析来设计高速数字PCB板

    如何在PCB板的设计过程中充分考虑到信号完整性的因素，并采取有效的控制措施，已经成为高速数字PCB设计必须关心的问题之一。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等因素，都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不工作。 本文介绍了一种通过信号完整性计算机分析来设计高速数字信号PCB板的方法。  
一、信号完整性问题概述
    信号完整性(SI)是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。从广义上讲，信号完整性问题主要表现为5个方面：延迟、反射、串扰、同步切换噪声(SSN)和电磁兼容性(EMI)。
二、传统的PCB板设计方法
    在传统的设计流程中，PCB的设计依次由电路设计、版图设计、PCB制作、测量调试等步骤组成。PCB板的性能只有在制作完成后才能够通过仪器测量来评判。在PCB板调试阶段中发现的问题，必须等到下一次PCB板设计中加以修改。但更为困难的是，有些问题往往很难将其量化成前面电路设计和版图设计中的参数，所以对于较为复杂的PCB板，一般都需要通过反复多次上述的过程才能最终满足设计要求。 
三、基于信号完整性分析的PCB设计方法
    基于信号完整性计算机分析的PCB设计与传统的PCB设计方法相比，具有以下特点：
    1、在PCB板设计之前，首先建立高速数字信号传输的信号完整性模型。
    2、根据SI模型对信号完整性问题进行一系列的预分析，根据仿真计算的结果选择合适的元器件类型、参数和电路拓扑结构，作为电路设计的依据。
    3、在电路的设计过程中，将设计方案送交SI模型进行信号完整性分析，并综合元器件和PCB板参数的公差范围、PCB版图设计中可能的拓扑结构和参数变化等因素，计算分析设计方案的解空间。
    4、在电路设计完成后，各高速数字信号应该都具有一个连续的、可实现的解空间。即当PCB及元器件参数在一定的范围内变化、元器件在PCB板上的布局以及信号线在PCB板上的布线方式具有一定的灵活性的情况下，仍然能够保证对信号完整性的要求。
    5、PCB版图设计开始之前，将获得的各信号解空间的边界值作为版图设计的约束条件，以此作为PCB版图布局、布线的设计依据。 
四、信号完整性分析模型
    在基于信号完整性计算机分析的PCB设计方法中，最为核心的部分就是PCB板级信号完整性模型的建立，这是与传统的设计方法的区别之处。
    SI模型的正确性将决定设计的正确性，而SI模型的可建立性则决定了这种设计方法的可行性。
    1、PCB设计的SI模型
    在电子设计中已经有多种可以用于PCB板级信号完整性分析的模型。其中最为常用的有三种,分别是SPICE、IBIS和Verilog-A。
    a. SPICE模型
    SPICE是一种功能强大的通用模拟电路仿真器。现在衍生出两个主要的版本：HSPICE和PSPICE，HSPICE主要应用于集成电路设计，而PSPICE主要应用于PCB板和系统级的设计。
    SPICE模型由两部分组成：模型方程式(Model Equations)和模型参数(Model Parameters)。由于提供了模型方程式，因而可以把SPICE模型与仿真器的算法非常紧密地联接起来，可以获得更好的分析效率和分析结果。
    b. IBIS模型
    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。由于IBIS模型无需描述I/O 单元的内部设计和晶体管制造参数，因而得到了半导体厂商的欢迎和支持。现在各主要的数字集成电路制造商都能够在提供芯片的同时提供相应的IBIS模型。
    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。由于基于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。 
    2、模型的选用
    由于目前还没有一种统一的模型来完成所有的PCB板级信号完整性分析，因此在高速数字PCB板设计中，需要混合上述几种模型来最大程度地建立关键信号和敏感信号的传输模型。
    (a)、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。
    (b)、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。
    (c)、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。 
五、本文小结：
    该设计方法对于高速数字PCB板的设计开发具有很强的实用意义，不仅能够有效地提高产品设计的性能，而且可以大幅缩短产品开发周期，降低开发成本。可以预见，随着信号完整性分析的模型以及计算分析算法的不断完善和提高，基于信号完整性计算机分析的PCB设计方法将会越来越多地应用于电子产品设计之中。

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