SI信号完整性仿真工具介绍

(一)Ansoft公司的仿真工具

现在的高速电路设计已经达到GHz的水平，高速PCB设计要求从三维设计理论出发对过孔、封装和布线进行综合设计来解决信号完整性问题。高速PCB设计要求中国工程师必须具备电磁场的理论基础，必须懂得利用麦克斯韦尔方程来分析PCB设计过程中遇到的电磁场问题。目前，Ansoft公司的仿真工具能够从三维场求解的角度出发，对PCB设计的信号完整性问题进行动态仿真。
Ansoft的信号完整性工具采用一个仿真可解决全部设计问题：

SIwave是一种创新的工具，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。

(二)SPECCTRAQuest

Cadence的工具采用Sun的电源层分析模块：

Cadence Design Systems的SpecctraQuest PCB信号完整性套件中的电源完整性模块据称能让工程师在高速PCB设计中更好地控制电源层分析和共模EMI。

该产品是由一份与Sun Microsystems公司签署的开发协议而来的，Sun最初研制该项技术是为了解决母板上的电源问题。

有了这种新模块，用户就可根据系统要求来算出电源层的目标阻抗；然后基于板上的器件考虑去耦合要求，Shah表示，向导程序能帮助用户确定其设计所要求的去耦合电容的数目和类型；选择一组去耦合电容并放置在板上之后，用户就可运行一个仿真程序，通过分析结果来发现问题所在。

SPECCTRAQuest是CADENCE公司提供的高速系统板级设计工具，通过它可以控制与PCB layout相应的限制条件。在SPECCTRAQuest菜单下集成了一下工具：

（1） SigXplorer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，把仿真结果存为拓扑结构模板，在后期详细设计中应用这些模板进行设计。

（2） DF/Signoise工具是信号仿真分析工具，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 SI Expert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） DF/EMC工具——EMC分析控制工具。

（4） DF/Thermax——热分析控制工具。

SPECCTRAQuest中的理想高速PCB设计流程：

由上所示，通过模型的验证、预布局布线的space分析、通过floorplan制定拓朴规则、由规则驱动布局布线、后期的验证完成单板的设计。故在设计过程中我们要运用SPECCTRAQUEST完成SPACE分析、拓朴建立和floorplan、实时的规则驱动布局及后验证等。

(三)Spice仿真程序

SPICE仿真程序：

电路系统的设计人员有时需要对系统中的部分电路作电压与电流关系的详细分析，此时需要做晶体管级仿真（电路级），这种仿真算法中所使用的电路模型都是最基本的元件和单管。仿真时按时间关系对每一个节点的I/V关系进行计算。这种仿真方法在所有仿真手段中是最精确的，但也是最耗费时间的。

SPICE（Simulation program with integrated circuit emphasis）是最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本spice软件，其仿真核心大同小异，都是采用了由美国加州Berkeley大学开发的spice模拟算法。

SPICE可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。SPICE内建半导体器件模型，用户只需选定模型级别并给出合适的参数。

(四)ZUEKN的EMC-Workbench

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能够解决在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。约束条件是在类似Windows的环境中进行管理的。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。

ZUEKN公司的系统级EMC/EMI分析软件EMC-Workbench 由三部分模块构成：

EMC-ENGINEER 电磁兼容分析模块、SI-WORKBENCH 信号一致性分析模块、RADIATION-WORKBENCH 辐射分析模块

EMC-Engineer电磁兼容分析模块全面快速诊断你的设计：

EMC-Engineer在设计的早期检查PCB或系统的EMC/EMI特性，即便在刚刚完成布局阶段，就可以用此工具进行分析。可以快速分析出设计当中的反射、串扰、辐射等问题，更详细的分析可以用信号一致性分析工具（SI-Workbench）和辐射分析工具(RADIATION- Workbench)来实现。早期对有问题的设计区域的检测使得设计师可以高效率低成本地优化你的设计。

EMC-Engineer包括：设计中的最大过冲、下冲；确定精确的特征阻抗；延时和失真的计算；虚拟走线（布线）信号一致性和时序分析；辐射场强度计算；确定共模方式电压分布；计算或确定由寄生参数所引发的共模方式辐射；走线长度统计，器件数量和器件技术统计以及过孔统计等；规则定义环境；一组可以用户定义规则的设计环境；一组可以用户化定义的结果视窗；综合数据管理和库管理功能；支持IBIS模型；支持SPICE模型；自动产生项目文档；SDF（Standard Delay Format）文件输出等。

SI-Workbench信号一致性分析模块分析信号一致性影响：

信号一致性分析模块SI-Workbench 可以用来对多层PCB和多块PCB系统进行精确的串扰和反射影响的仿真分析。一个内嵌的二维电磁场算法用来计算传输线的电参数，器件的行为特性用线性特性来描述。

SI-Workbench包括：传输线参数计算；快速的反射和串扰仿真；输出数据管理和库管理功能；支持IBIS模型；支持SPICE模型；交互的和全自动模式的分析方法；电子表格式结果管理；高功能的图形化后处理；虚拟参数的匹配网格加入功能；PCB拓扑编辑器用于"What-if"分析；自动产生项目文档。

RADIATION-Workbench辐射分析模块分析辐射/放射影响：

辐射分析模块REDIATION-Workbench基于三维传输线结构，用三维波形仿真器计算辐射和放射特性。包括：对多层PCB和系统以及封闭仓的辐射/放射分析。器件的模型是用宏模型来描述的。

在一个虚拟的测试环境中，允许设计师以高度逼真的方式仿真你的设计。仿真结果包括辐射谱、近场和远场扫描以及辐射模式等。结果数据可以用二维视图工具和三维视图工具直观显示出来。

RADIATION-Workbench 包括：传输线参数计算；三维全波仿真；辐射谱分析；近、远场分析；　二维和三维辐射模式；综合数据管理和库管理功能；支持IBIS模型；支持SPICE模型；虚拟测试环境仿真；二维和三维图形后处理；PCB拓扑编辑器用来"What-if"仿真；自动项目文档生成功能。

(五)Mentor的ICX信号完整性解决方案

这是第一种在单一仿真环境下支持SPICE、IBIS和VHDL-AMS的PCB信号完整性工具： ICX 3.0可适用由高速数字PCB较高时钟频率和信号边缘速率导致的信号完整和时序的挑战，使仿真效率和精度更高。该解决方案可使允许系统设计人员缩短设计时间，并提高系统性能，也给IC厂商更多设备动作建模选择。除了ICX 3.0，明导资讯还发布了Tau 3.0产品，这是该公司板级时序解决方案的最新版本，现在与ICX有着更高程度的集成。

ICX 3.0和Tau 3.0可用性强，有多种接口，并有多项功能改善，提高了可高速设计性能。ICX3.0为该公司的PCB设计工具Expedition和Board Station系列提了供增强型接口，包括新型的ICX和Expedition产品的双向接口，使用户可以利用ICX工具在信号完整性设计和验方面的全部功能。

Tau 3.0所集成的符号时序分析功能为板极电路的时序验证需要提供了解决方案。Tau 3.0是Tau仿真/分析仪的主要更新版本，增强了可用性，在分析时也保留了更多具体信息。