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1、教学单位 物理与信息技术系学生学号 200891044019 编 号 WL2012CK019 教学单位 学生学号 编 号 本科毕业论文（设计） 题 目 高速电路板级SIPI与实践 学生姓名 王 龙 专业名称 测控技术与仪器 指导教师 张 瞳 2012年05月17日43目 录一 论文正文1绪论1 1.1 SI与PI基本原则1 1.2 信号完整性分析、电源完整性分析简介22 SI的仿真与设计3 2.1 信号完整性分析定义与对象3 2.2 信号完整性问题4 2.3 SI的HyperLynx 仿真133 PI仿真与设计23 3.1 概述23 3.2 电源系统的噪声来源与电容的退耦24 3.3 PI的仿
2、真分析274总结与实例32参考文献34谢辞35二 附录论文（设计）任务书36论文（设计）结题报告38论文（设计）成绩评定及答辩评议表40论文（设计）答辩过程记录42高速电路板级SI、PI与实践摘要：随着PCB 设计越来越复杂，设计周期越来越短，信号完整性仿真分析正变得越来越重要。本文简介了信号完整性针对的基本问题，介绍了基于信号完整性仿真分析的高速PCB设计方法，并结合一个高速PCB 设计案例，通过Mentor Graphics公司电路系统仿真工具HyperLynx，对高速板级电路进行仿真。研究通过改变传输线参数、干扰源、地平面介质对串扰的影响。根据PCB厂家的制版参数匹配出阻抗线。仿真分析出
3、层间结构、布局、布线规则和一些端接方案，完成仿真板级结果。关键词：信号完整性；信号完整性仿真 IBIS；串扰；传输线；HyperLynx仿真 High-speed circuit board level SI、PI and practiceAbstract: with the PCB design more and more complex, the design cycle more and more short, signal integrity simulation analysis is becoming more and more important. In this paper a
4、re introduced the signal integrity in the basic problem, introduces the simulation analysis based on signal integrity of the PCB design method, and combining with a high speed PCB design case, through the Mentor Graphics company circuit system simulation tools-HyperLynx, for high-speed circuit board
5、 level simulation. Research by changing the parameters of the transmission line, interference sources, ground plane media on the influence of crosstalk. According to the PCB manufacturer plate parameters matching the impedance line. The simulation analysis between the layer structure, layout and wir
6、ing rules and some termination program, complete simulation board level results.Key words:Signal Integrity（SI ）;SI Simulation;IBIS;Crosstalk;transmission lines;HyperLynx simulation目 录 1绪论11.1 SI与PI基本原则11.2 信号完整性分析、电源完整性分析简介22 SI的仿真与设计32.1信号完整性分析定义与对象32.2 信号完整性问题42.3 SI的HyperLynx 仿真133 PI仿真与设计233.1 概
7、述233.2 电源系统的噪声来源与电容的退耦243.3 PI的仿真分析274总结与实例32参考文献34谢辞351绪论1.1 与基本原则 作为硬件设计我们必须了解的原则： 1 提高告诉产品设计效率的关键是：充分利用分析工具实现准确的性能预测：使用测量手段来验证设计过程，降低风险，提高设计工具的可信度。 2 将问题实质与表面现象剥离开的唯一可行的路径是采用经验法则，解析近似，数值仿真技术或者测量工具来获得数据，这是工程实践的本质要素。 3 任何一段互连线，不论线长或形状如何，也不论信号的上升时间如何，都是一个由信号路径和返回路径构成的传输线。一个信号在沿着互连线前进的每一步中，都会感受多发哦一个瞬
8、态的阻抗。如果瞬态阻抗为常数，就像传输线具有均匀的横截面一样，则其信号质量将会获得奇迹般的改善。 4 把“接地”这一术语忘掉，因为它所造成的问题比用它来解决的问题还要多。每一路信号都有返回路径。抓住“返回路径”，像对待信号路径一样去寻找并仔细处理返回路径，这样有助于培养解决问题的直觉能力。 5 当电压变化时电容上就有电流运动。对于信号的徒峭边，即使电路PCB板边缘和悬空导线之间的空隙形成的边缘线电容也可能拥有很低的阻抗。 6 电感和围绕电流周围的磁力线匝数有本质的联系。只要电流或者磁力线匝数发生改变，在导线的两端就会产生电压。这一电压导致了反射噪声、串扰、开关噪声、地弹、轨道塌陷以及EMI。
9、7 当流经接地回路电感上的电流变化时，在接地回路导线上产生的电压称为地弹。它是造成开关噪声和EMI的内部机理。 8 以同频率的方波作为参照，信号带宽是指有效正弦波分量的最高频率值。模型的带宽是指在这个最高的正弦频率上，模型仍然能够用来准确的预测互联的实际性能。在使用模型进行分析时，一定不要让信号的带宽超过模型的带宽。 9 除了少数情况之外，信号完整性中的公式给出的是定义或者近似。在特别需要准确性的场合就不要使用近似。 10 有损传输线引起的问题就是上升边变差。由于趋肤深度和介质损耗，损耗会随着频率的升高而变化。如果损耗随着频率的升高而保持不变，那么上升时间就不会发生变化，这时的有损线只是增添了
10、一些损耗而已。 11 影响研发速度并造成产品交货延迟，就是企业付出最昂贵的代价。1.2 信号完整性分析、电源完整性分析简介 从PCB （Printed Circuit Board ）板级设计来看，随着 IC 芯片的更新换代，新的高速电平标准不断推出，需要在PCB 上传输的信号的沿速率越来越快，时序要求越来越高，噪声容限也越来越小， PCB 设计任务正变得越来越复杂。同时，产品的推陈出新却越来越快，市场留给PCB 设计人员的时间越来越少，往往需要PCB 设计一次成功。这就需要PCB 的信号完整性仿真分析，在生产以前准确预测PCB 的工作特性，确保一次成功。事实上，即使对于更为简单的设计，仿真也是
11、一个明智的选择。因为工程设计往往是质量和成本的折衷，通过仿真可以确定最佳的折衷点，即在满足一定设计要求的前提下，最大限度的降低成本。 实践证明，仿真的准确性能达到90% 以上，能够满足工程应用的要求。近年来随着电子系统朝着大规模、小体积、高速度的方向不断发展,基于传统的电路设计理论设计出来的电路越来越多的遇到了诸如信号完整性和电源完整性之类的问题,严重的甚至会导致系统无法工作。要适应当前电子系统的发展,光靠设计完成后的修修补补是远远不能解决问题的,而且成品后期解决问题耗费的成本,要数百倍于产品设计阶段解决问题的成本,必须从设计阶段就应用一整套的高速电路设计理论来指导电路板的设计。在这样的背景下
12、,各种各样的高速电路设计理论应运而生。 高速电路首先要解决信号完整性问题。本文在理想的无损传输线的基础上,利用传输线理论,分析研究高速印刷电路板走线的信号特性,发现影响信号完整性的原因并找出解决常用的几种解决方法及各方法的优缺点。其中特意介绍了一种格形图的方法对信号的波形进行推算,并将推算波形和仿真波形进行对比。基于实际的有损传输线,本文还进一步研究了高速信号的传输特性,分析了直流损耗、趋肤效应,并且研究了PCB布线中常用的蛇行线、直角走线的影响。数字电路系统中普遍存在着串扰,这种串扰也存在于芯片内部、封装,PCB板内、板间,连接器、线缆间等。通过对板级串扰产生的原因及串扰对传输时间和信号完整
13、性的影响研究,可以找到两种终端匹配方法有效抑制串扰的影响。电源完整性是高速电路板级设计需要注意的另一个方面,它可分为电源系统完整性、返回路径(通常是非理想的)和同步开关噪声三个密切相关的问题。本文依次分析了这三个问题,并给出了解决这三个问题的指导性意见。2 SI的仿真与设计2.1信号完整性分析定义与对象信号完整性（Signal Integrity）是指信号未受损伤的一种状态。它表明信号通过传输线后仍保持正确的功能特性，信号在电路中能以正确的时序和电压作出响应。由IC的时序可知如果信号在稳态时间（为了正确识别和处理数据，IC要求在时钟边缘前后输入数据保持不变的时间间段）内发生了较大的跳变，IC就
14、可以误判或丢失部分数据。若数据具有良好的信号完整性，则电路具有正确的时序关系和信号幅度，数据不会出现错误的捕获，这意味着接收端能够得到正确的数据。相反，若出现信号完整性故障，就会引起任意的信号跳变，使信号不能正常响应，导致系统工作异常，性能下降。如果你发现，以前低速时代积累的设计经验现在似乎都不灵了，同样的设计，以前没问题，可是现在却无法工作，那么恭喜你，你碰到了硬件设计中最核心的问题：信号完整性。早一天遇到，对你来说是好事。 在过去的低速时代，电平跳变时信号上升时间较长，通常几个 ns 。器件间的互连线不至于影响电路的功能，没必要关心信号完整性问题。但在今天的高速时代，随着IC 输出开关速度的提高，很多都在皮秒级，不管信号周期如何，几乎所有设计都遇到了信号完整性问题。另外，对低功耗追求使得内核电压越来越低，1.2v 内核电压已经很常见了。因此系统能容忍的噪声余量越来越小，这也使得信号完整性问题更加突出。 广义上讲，信号完整性是指在电路设计中互连线引起的所有问题，它主要研究互连线的电气特性参数与数字信号的电压电流波形相互作用后，如何影响到产品性能的问题。主要表现在对时序的影响、信号振铃、信号反射、近端串扰、远端串扰、开关噪声、非单调性、地弹、电源反弹、衰减、容性负载、电磁辐射、电磁干扰等。信号总是从驱动端经过传输媒介到达接收端，所有传输媒介的电磁特性都将
