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Altium Designer的信号完整性分析功能


Altium Designer 的信号完整性分析功能
在高速数字系统中,由于脉冲上升/下降时间通常在 10 到几百 p 秒,当受到诸如内连、传输时延和电源 噪声等因素的影响,从而造成脉冲信号失真的现象; 在自然界中, 存在着各种各样频率的微波和电磁干扰源, 可能由于很小的差异导致高速系统设计的失败; 在 电子产品向高密和高速电路设计方向发展的今天,解决一系列信号完整性的问题,成为当前每一个电子设 计者所必须面对的问题。业界通常会采用在 PCB 制板前期,通过信号完整性分析工具尽可能将设计风险降 到最低,从而也大大促进了 EDA 设计工具的发展…… 信号完整性(Signal Integrity,简称 SI)问题是指高速数字电路中,脉冲形状畸变而引发的信号失真问题, 通常由传输线不阻抗匹配产生的问题。而影响阻抗匹配的因素包括信号源的架构、输出阻抗(output impedance)、走线的特性阻抗、负载端的特性、走线的拓朴(topology)架构等。解决的方式可以采用端接 (termination)与调整走线拓朴的策略。 信号完整性问题通常不是由某个单一 因素导致的,而是板级设计中多种因素共同作用的结果。信号完整性 问题主要表现形式包括信号反射、信号振铃、地弹、串扰等; 1. a.Altium Designer 信号完整性分析(机理、模型、功能) 在 Altium Designer 设计环境下, 您既可以在原理图又可以在 PCB 编辑器内实现信号完整性分析, 并且能以 波形的方式在图形界面下给出反射和串扰的分析结果。 Altium Designer 的信号完整性分析采用 IC 器件的 IBIS 模型,通过对版图内信号线路的阻抗计算,得到信 号响应和失真等仿真数据来检查设计信号的可靠性。Altium Designer 的信号完整性分析工具可以支持包括 差分对信号在内的高速电路信号完整性分析功能。 Altium Designer 仿真参数通过一个简单直观的对话框进行配置,通过使用集成的波形观察仪,实现图形显 示仿真结果,而且波形观察仪可以同时显示多个仿真数据图像。并且可以直接在标绘的波形上进行测量, 输出结果数据还可供进一步分析之用。 Altium Designer 提供的集成器件库包含了大量的的器件 IBIS 模型,用户可以对器件添加器件的 IBIS 模型, 也可以从外部导入与器件相关联的 IBIS 模型,选择从器件厂商那里得到的 IBIS 模型。 Altium Designer 的 SI 功能包含了布线前(即原理图设计阶段)及布线后(PCB 版图设计阶段)两部分 SI 分析功能;采用成熟的传输线计算方法,以及 I/O 缓冲宏模型进行仿真。基于快速反射和串扰模型,信号 完整性分析器使用完全可靠的算法,从而能够产生出准确的仿真结果。布线前的阻抗特征计算和信号反射 的信号完整性分析,用户可以在原理图环境下运行 SI 仿真功能,对电路潜在的信号完整性问题进行分析, 如阻抗不匹配等因素。 更全面的信号完整性分析是在布线后 PCB 版图上完成的,它不仅能对传输线阻抗、信号反射和信号间串扰 等多种设计中存在的信号完整性问题以图形的方式进行分析, 而且还能利用规则检查发现信号完整性问题, 同时,Altium Designer 还提供一些有效的终端选项,来帮助您选择最好的解决方案。 2.2 分析设置需求 在 PCB 编辑环境下进行信号完整性分析。

?为了得到精确的结果,在运行信号完整性分析之前需要完成以下步骤: ?1、电路中需要至少一块集成电路,因为集成电路的管脚可以作为激励源输出到被分析的网络上。像电阻、 电容、电感等被动元件,如果没有源的驱动,是无法给出仿真结果的。 ?2、针对每个元件的信号完整性模型必须正确。 ?3、在规则中必须设定电源网络和地网络,具体操作见本文。 ?4、设定激励源。 ?5、用于 PCB 的层堆栈必须设置正确,电源平面必须连续,分割电源平面将无法得到正确分析结果,另外,

要正确设置所有层的厚度。 2.2 操作流程 a .布线前(即原理图设计阶段)SI 分析概述 用户如需对项目原理图设计进行 SI 仿真分析, Altium Designer 要求必须建立一个工程项目名称。在原理 图 SI 分析中,系统将采用在 SI Setup Option 对话框设置的传输线平均线长和特征阻抗值;仿真器也将直接 采用规则设置中信号完整性规则约束,如激励源和供电网络等,同时,允许用户直接在原理图编辑环境下 放置 PCB Layout 图标,直接对原理图内网络定义规则约束。 当建立了必要的仿真模型后,在原理图编辑环境的菜单中选择 Tools -> Signal Integrity 命令,运行仿真。 b .布线后(即 PCB 版图设计阶段)SI 分析概述 用户如需对项目 PCB 版图设计进行 SI 仿真分析, Altium Designer 要求必须在项目工程中建立相关的原理 图设计。此时,当用户在任何一个原理图文档下运行 SI 分析功能将与 PCB 版图设计下允许 SI 分析功能得 到相同的结果。 当建立了必要的仿真模型后,在 PCB 编辑环境的菜单中选择 Tools -> Signal Integrity 命令,运行仿真。 2.2 操作实例: 一、在 Altium Designer 的 Protel 设计环境下,选择 File\Open Project,选择安装目录下 \Examples\Reference Design\4 Port Serial Interface\4 Port Serial Interface.Prjpcb,进入 PCB 编 辑环境,如下图 1.

图 1 在 PCB 文件中进行 SI 分析 选择 Design/Layer Stack Manager…,配置好相应的层后,选择 Impedance Calculation…,配置板材的

相应参数如下图 2 所示,本例中为缺省值。

图 2 配置板材的相应参 ?选择 Design/Rules 选项,在 Signal Integrity 一栏设置相应的参数,如下图 3 所示。首先设置 Signal Stimulus(信号激励),右键点击 Signal Stimulus,选择 New rule,在新出现的 Signal Stimulus 界面 下设置相应的参数,本例为缺省值。

图 3 设置信号激励 ?接下来设置电源和地网络,右键点击 Supply Net,选择 New Rule,在新出现的 Supplynets 界面下,将 GND 网络的 Voltage 设置为 0 如图 4 所示,按相同方法再添加 Rule,将 VCC 网络的 Voltage 设置为 5。其

余的参数按实际需要进行设置。最后点击 OK 推出。

图 4 设置电源和地网络 ?选择 Tools\Signal Integrity…,在弹出的窗口中(图 5)选择 Model Assignments…,就会进入模型配置 的界面(图 6)。

图 5

图 6

?在图 6 所示的模型配置界面下,能够看到每个器件所对应的信号完整性模型,并且每个器件都有相应的 状态与之对应,关于这些状态的解释见图 7: ?图 7

?修改器件模型的步骤如下: ?1、双击需要修改模型的器件(U1)的 Status 部分,弹出相应的窗口如图 8 ?2、在 Type 选项中选择器件的类型, ?3、在 Technology 选项中选择相应的驱动类型, ?4、 也可以从外部导入与器件相关联的 IBIS 模型, 点击 Import IBIS, 选择从器件厂商那里得到的 IBIS 模 型即可。

?5、模型设置完成后选择 OK,退出。

?图 8

二、在图 6 所示的窗口,选择左下角的 Update Models in Schematic,将修改后的模型更新到原理图中。 ?三、在图 6 所示的窗口,选择右下角的 Analyze Design…,在弹出的窗口中(图 10)保留缺省值,然后 点击 Analyze Design 选项,系统开始进行分析。 ?四、图 11 为分析后的网络状态窗口,通过此窗口中左侧部分可以看到网络是否通过了相应的规则,如过 冲幅度等,通过右侧的设置,可以以图形的方式显示过冲和串扰结果。 ?选择左侧其中一个网络 TXB,右键点击,在下拉菜单中选择 Details…,在弹出的如图 12 所示的窗口中可 以看到针对此网络分析的详细信息。

图 10

图 11

图 12

?五、下面以图形的方式进行反射分析,双击需要分析的网络 TXB,将其导入到窗口的右侧如图 13 所示。

图 13 ?选择窗 13 口右下角的 Reflections…,反射分析的波形结果将会显示出来如图 14

图 14 ?右键点击 TXB_U1.13_NoTerm,如图 15 在弹出的列表中选择 Cursor A 和 Cursor B,然后可以利用它们来测

量确切的参数。测量结果在 Sim Data 窗口如图 16 所示。

图 15

图 16 六、 返回到图 11 所示的界面下, 窗口右侧给出了几种端接的策略来减小反射所带来的影响, 选择 Serial Res 如图 18 所示,将最小值和最大值分别设置为 25 和 125,选中 Perform Sweep 选项,在 Sweep steps 选项 中填入 10,然后,选择 Reflections…,将会得到如图 19 所示的分析波形。选择一个满足需求的波形,能 够看到此波形所对应的阻值如图 17,最后根据此阻值选择一个比较合适的电阻串接在 PCB 中相应的网络上 即可。

图 17

图 18

图 19 七、接下来进行串扰分析,重新返回到如图 11 所示的界面下,双击网络 RTSB 将其导入到右面的窗口,然

后右键单击 TXB,在弹出菜单中选择 Set Aggressor 设置干扰源,如图 20 所示,结果如图 21。

图 20 图 21 ?然后,选择图 20 右下角的 Crosstalk…,就会得到串扰得分析波形,如图 22 所示。

图 22 串扰波形


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