高速系统信号完整性设计工具的选择策略

高速数据经过长PCB导线传输时很容易受到介质损耗的影响而发生畸变，靠传统的设计规则很难解决GHz频段面临的许多SI/EMI设计问题。本文介绍了通过SpecctraQuest工具给出电路板的分层设计规则和损耗预测的方法，以及用Hspice工具验证器件模型，并对去耦电容的选择和布局进行电源和地平面分析，用Maxwell 2D和3D场求解工具获得特殊布线/元件结构的精确几何参数。

随着通信系统中高速板设计复杂性的日益提高，依赖某一种特定的CAD工具已经无法在可接受的精度范围内完成整个设计仿真。PCB设计工程师和信号完整性(SI)设计工程师需要采用各种仿真工具。除了价格、性能、速度和精度始终是选择工具集的主要准则之外，如何使用来自多家EDA工具软件供应商的CAD工具来实现设计目标、SI和电磁干扰(EMI)设计规则，也是中国设计工程师关注的重要问题。一般而言，优良的设计和SI/EMI分析工具的组合应该包括：版图设计工具、板级仿真器、精确的场求解工具以及详细的仿真引擎。

本文所讨论的工具包括：Allegro和SpecctraQuest、Hspice、Spicelink和HFSS：Allegro是目前通用的版图设计工具；由于具备与Allegro相同的数据库，SpecctraQuest被用做板级仿真的主要工具，避免了数据转换的问题；Hspice是实现更精确分析的工具；Spicelink和HFSS提供2D和3D场解决方案，对各种互连几何形状进行分析(通孔、连接器等)，特别是需要高频分析的时候。

为了有效地利用现有的CAD工具，要在恰当的设计阶段选用相应的工具。本文以卡和主板之间传输率为2.5Gbps到12.5Gbps的高速通信系统为案例，介绍如何正确使用多种仿真工具来解决速度达到Gbps的PCB设计问题。

用SpecctraQuest建立设计规则


Allegro是版图设计工具，SpecctraQuest是板级仿真工具，两者组合的优势在于共享相同的庞大数据库，采用相同的仿真引擎和类似的图形用户界面。由于Allegro和SpecctraQuest进一步集成，设计工程师就能够在设计阶段同时进行版图设计和仿真。要使设计的卡和背板能传输2.5Gbps、边沿速率为100ps-200ps的串行数据信号，必须掌握在该频段的SI问题并加以有效地管理。需要了解的主要SI问题包括：趋肤效应、介质损耗、耦合以及驱动器预加重等。SpecctraQuest工具可以仿真和解决下列问题：

a．采用SignalExplorer工具进行预布局分析并提取重要节点。随着电路板的日益复杂化，预布局分析和设计规则设置越来越重要。采用SpecctraQuest电路图提取工具，SignalExplorer能够根据电路参数变化进行预布局分析，并能够将重要的网络节点提取到电路浏览器当中，从而对布线和版图后期设计进行检查。与许多其它的电路级仿真工具一样，SpecctraQuest的缺点之一是缺乏详细的建模能力，换言之，IBIS模型是唯一可以采用的器件模型。因此，在SignalExplorer中进行分析之前，必须可靠地评估行为模型。

采用SignalExplorer可以解决下列问题：评估电路板分层的几何尺寸、估计趋肤效应和介质引起的损耗、给出高速数据/时钟容许的线长的设计规则、给出控制耦合的线间距、给出终端类型和数值以及所有差分对的最大失配长度。经验表明，从上述仿真获得的设计规则能为工程布局和布线提供有价值的指南，从而极大地缩短设计周期并降低设计风险。

b．损耗和补偿

趋肤效应和介质损耗通常被认为是千兆数据传输板设计面临的主要问题。趋肤效应决定线的宽度，介质损耗决定于构成PCB的材料。要解决这两个基本问题，板级仿真器必须具备处理具有频率独立参数的有损传输线的能力，SpecctraQuest就满足这个要求。仿真和测量结果表明，在GHz频段介质损耗占主要地位。

在通信系统中，高速数据要经过长的导线传输，因而很容易受到介质损耗的影响而发生畸变。克服这种损耗影响的一个方法是采用均衡器和预加重器。均衡方法有几种可供选择，本文只讨论采用无源元件的均衡电路。而因为大多数器件都内建了均衡电路，IBIS类模型很难对其补偿。

通过把无源元件从器件中分离出来放到电路板上，我们可以对均衡效应进行仿真。利用SpecctraQuest分析修改后的网表，可以获得均衡器应用的通用指南。

当介质的影响不大时，均衡器不应该发生作用。均衡器的作用是补偿长互连线上的高频成分损失。预加重可能会导致较短互连线的眼图变坏。随着互连线的增长，FR4板材的介质损耗会越来越大。信号的高频成分(对应于陡峭的上升/下降沿)会消失，低频成分则被保留下来。为了有效地使用预加重功能，必须首先估算信号传输路径上互连线的长度，然后决定是否采取补偿措施。对所有传输高速率的互连线都采取预加重处理并不是最优化的。

表1比较了2.5Gbps信号通过不同长度的差分互连线时，预加重器处于开/关两种状态下眼图窗口和抖动的差异。

c. GHz频段的耦合


在数据率低于Gbps的时候，耦合一直是PCB设计中影响噪声指标的主要因素。由于耦合信号的频率成分比入侵信号的频率成分更高，所以其损耗比原始的Gbps信号受到的损耗要大，自然对噪声指标的影响就降低了。

大多数版图设计工具根据由布线几何形状和材料决定的耦合系数来估算耦合的影响，这就导出了限制平行距离的线性估计公式，它降低了布线密度。事实上，在长的布线上耦合会达到饱和状态。在估算过程中忽略饱和效应会导出比需要量更密的布线设计规则。为此，要采用SpecctraQuest进行全面的仿真以决定设计中的耦合规则。

对于2.5Gbps数据，上升时间的典型值是150ps，饱和长度大约是300mil，这就是说，实际耦合线可以长于300mil而不增加耦合预算值。表2显示了2.5Gbps速率、摆幅500mv、上升时间为110ps的信号的耦合饱和参数和损耗。耦合在大约300-400mil处达到饱和，因为损耗使其幅度在长布线上出现较大衰减。根据这一规律，设计工程师可以更有效地布线，而这一点比许多版图设计工具给出的设计规则更有效。

用Maxwell 2D/3D设计复杂布线结构

对于传输速率在10G到12.5Gpbs的较高速率，FR-4板材会产生很大的损耗，要采用其它损耗特性更佳的板材。如图1所示为一种共面结构的电路板，它被用于在电路板顶层传输10Gbps到12.5Gbps的数据，所用的板材为RO4350。该板材的介质损耗很低，但是只能在顶层/底层布线，因而传输10GHz信号要用表层线。采用共面结构信号的质量比较好，EMI比较低。要采用3D 场求解工具计算线宽和间隔以确保50欧姆的线阻抗，使之与驱动电路输出阻抗匹配。可以采用Maxwell 3D场求解工具。