Cadence EDA中PCB分析工具Specctraquest的使用

    电子设计自动化(EDA)技术是目前进行电子产品设计中所采用的主要技术．设计者利用它可以设计出更完美的产品，并且极大地缩短了设计周期。但是随着电子技术的不断发展，在设计中，特别是在高速PCB的设计中出现了一些新的问题。例如：延时、串扰、电磁干扰等物理设计问题，迫切需要提供一些仿真分析工具来解决这些问题。本文主要介绍了Cadence EDA软件中的信号完整性仿真设计工具SpecctraQuest的使用与建模方法。

一、前言
    EDA(电子设计自动化)技术是电子产品设计、开发领域的重大变革，它的出现彻底改变了过去的设计思想，提出了“设计即正确”的设计理念，极大地提高了生产效益和产品质量。之所以能这样，是因为在设计的各个环节大量采用了预分析、仿真技术，这种技术使得设计者能在产品制作前就预知产品的功能、了解故障与问题，控制其整个过程。
    仿真技术是采用计算机软件对电子元件的电特性、时序、功率、热效等进行模拟的一项技术。它最先是运用于对电路的功能仿真，即：对输入的原理图进行逻辑功能仿真，看是否满足设计者的功能要求，不犯逻辑设计上的错误。随着设计技术的不断成熟，电子产品的小型化、智能化、高速化的发展，在板级设计中也需要采用这种分析、仿真的方法，以保证在PCB设计后的时序关系与原理设计上的时序的一致性。因为在这种高密度、高速度的PCB设计中存在一系列新的问题，如：电磁干扰、信号的完整性、互连噪音(串扰)等等，他们是影响高速、高密PCB板能否正常工作、工作状态能否稳定的主要困索。在板级设计中，如何隔离敏感部件，以减少电磁干扰；如何合理地进行布局，以避免由于金属连线的传导延时而导致逻辑时序混乱；如何合理地设置平行线对的间距与线宽，以减少互连噪音。对于这些问题，我们一方
面可以从理论上进行分析，定性地确定解决问题；另一方面，采用一些仿真设计工具来检验、分析电路中某些重要的网络，以确保电路
的物理结果与原理设计的一致性，这种设计将极大地缩短设计周期并提高产品的质量。
    PCB分析工具(后端分析工具)是在物理层次上对电路进行分析、界定故障。PCB分析工具包括：信噪分析(信号的串扰、延时、反射、噪声)、电磁兼容分析、热分析、可靠性分析、可安装性分析、地层反射分析。SpecctraQuost是Cadence EDA软件中进行仿真设计与分析的工具，它提供了强劲的仿真功能，并且建模方式十分简明，运用十分方便。

二 设计流程
    随着EDA工具的不断发展，以前那种仅仅以布通率来判断PCB设计的方法越来越不能满足电子设计发展的要求。因为，随着布线器计算方法的不断优化，布通率越来越高，它已不是影响设计的主要困难；相反布局、布线的合理性成为设计者需重点考虑的内容。图1是一个设计的主要流程图，从中我们可以发现．分析功能是其中的主要内容，并且具有以下特点：
1 分析功能提前至布局、布线之前完成。
    这是SpecctraQuest不同于其它分析工具之处。使设计工程师在实际的布局之前对系统的时间特性、信号完整性及其它问题做出最优化的设计，以确定最优布局的方案。
2 specctraQuest内部包括SigNoise信号完整性分析工具。
 

三 specctraQuest简介
    specctraQuest是Cadence公司为了满足高速系统和板级设计需要开发的易用的工程设计环境。它将功能设计和物理设计有机地结合在一起。设计工程师能在这种直观的环境中探索并解决与系统功能相关的高速设计问题。利用SpecctraQuest工具，我们可以针对高速网络．在布线前定义其网络的拓扑结构；依据电学约束条件定义关键器件的布局；布线前对关键网络进行信号/噪声预分析；电源层/地层反射分析等
SpecctraQuest主要包括以下的功能模块：

• SigNoise：信号完整性与电磁干扰
• EMControl：电磁控制
• SSN：电源、地反射
• SigXplorer：信号浏览器
• Topology Exploration：拓扑结构浏览器

目前，我们主要对SigNoise/SI、EMControl、SigXplorer、Topology、Exploration这四个模块进行了研究与运用。

四 specctraQuest在SI／EMI方面的运用
    SigNoise是SpecctraQuest工具中进行信号完整性和电磁干扰分析的工具。运用这个工具可以解决高速互连中的一些问题；减少由于传导延时而造成的失真、串扰的影响，从而为设计规则的设置提供相应的支持。
4.1仿真模型
SigNoise仿真器的正常工作是基于各个仿真模型的正确设置。在SI／EMI分析中使用到的模型有：

• Device Model(器件模型)
• Interconnect Model(互连线模型)

Device Model是针对设计中所使用到的器件进行建模。系统提供以下几种模型库供用户选择：

1.  Default Model Library (缺省的模型库)
2.  Standard Digital Device Model Library(标准数字器件模型库)
3.  User Model Library(用户自建的模型库)

根据器件模型的不同类型，又将分成以下五种：

1. IBIS Device Models
2. IBIS Iocell Device Models
3. Package Models
4. Espice Models
5. DesignLinks Models

    为了进行信号分析，除了要建立器件的信噪模型库以外，还必须建立金属互连线的特性库。Interconnect Model就是描述金属互连线特性的模型库 在这个库中定义了金属线的电阻系数、感应系数、电容系数、传导系数等．利用这些参数可以计算出信号在金属线上传送时的延时、耦合电容、电磁辐射等，以得出驱动信号与接受信号的实际仿真波形。
    仿真模型的参数设置是在SI/EMI Sim>Initialize环境下进行，它包括了以上所说的所有的库模型的设置。

4 2仿真分析流程
    在采用SI/EMI仿真器进行信号分析之前，首先必须进行系统的初始化。初始化的主要内容是：Licence权限的检测以及加载信噪分析库(SigNoise Library)。这个信噪分析库是系统缺省的分析库，对于设计者未指定模型的元器件，均采用这个缺省的设置。
    系统初始化完成后，其次是模型库的选择或模型的建立。建模是仿真过程中最关键的内容，因为它是关系到仿真结果是否可靠的重要因素。整个建模过程分为两个部分：一部分为器件模型；另一部分为金属互连线模型。在器件模型中，我们需定义每一管脚的寄生电阻、电容、电感值；器件的封装模型；而器件的信号定义，是在作symbol时定义的，系统将自动加载此信息。金属互连线模型包括：金属互连线的阻抗、传输速率、相邻线间的电容值、曼哈顿长度百分比、shape的网孔大小等。建模方式采用参数填表方式，使用时清晰、简便。具体使用方法见cadence SpecctraQuest使用手册。
    第三，正式进入分析。在其中我们针对某些重要的网络，对其进行反射分析、串扰分析、EMI分析，分析结果以文本报告或波形显示的方式提供给设计者。Sigware窗口是分析中的一个波形显示器，它将显示网络中驱动端与接受端的波形图像，提供直观的信号偏移及振荡效果，以利于设计者分析。View Topology是察看网络拓扑结构的工具。在高速设计中，一种良好的拓扑结构关系对于整个设计是至关重要的，因为它保证了信号间正确的逻辑时间关系，是布局的重要依据之一。利用View Topology和Sigware工具可以寻找出一种最佳的拓扑结构，将这个结构保存下来(* top)，作为一种参数传递至PCB中，使得PCB的布局、布线满足这种物理关系。
    第四，因为在拓扑关系中包含有网络中各个节点间的延迟时间、线间阻抗等信息，所以分析结束时，应将产生的最佳拓扑结构保存下来，作为PCB设计的结束条件。

五 总结
    通过使用SpecctraQuest中SI/EMI工具，我们将在PCB的设计阶段就解决由于高速度、高密度而导致的各种问题。这些问题在很大程度上不是由于原理设计引起，而是在物理实现造成的。SpecctraQuest的使用改变了以往那种设计—— 布局／布线—— 信号完整性分析—— 修改—— 布局／布线调整—— 生产的方式，利用分析工具对虚拟样板进行充分的分析，以确定最优的物理关系，实现了“设计即正确”的设计理念，提高了产品质量和工作效率。
    建模是整个分析的基础，是分析结果是否可靠的依据。虽然系统采用的是“模型参数表”这种直观的建模方式，但仍给初次使用者一种较困难的感觉，究其原因主要是模型建立所涉及的内容很广。除了要了解电路的功能特性外，还要了解PCB 的制造工艺、不同材料的特性参数，只有这样才能建立起与实际相符的模型。