1、基基于于 A AN NS SY YS S 的的信信号号和和电电源源完完整整性性设设计计与与分分析析周润景摇 姜摇 攀摇 编著内 容 简 介本书主要介绍信号完整性和电源完整性的基础理论和设计方法,并结合实例,详细介绍了如何在ANSYS仿真平台完成相关仿真,并分析结果。同时,在常见的数字信号高速电路设计方面,本书详细介绍了高速并行总线 DDR3 和高速串行总线 PCIE、SFP+传输的特点,以及运用 ANSYS 仿真平台的分析流程和方法。本书特点是理论和实例相结合,并且基于 ANSYS 15郾 0 的 SIwave、HFSS、Designer 仿真平台,使读者可以在软件的实际操作过程中,理解高速电
2、路设计理念,熟悉仿真工具和分析流程,发现相关的问题,并运用类似的设计、仿真方法去解决。本书适合从事芯片、封装、PCB 设计及数字电路硬件设计的工程技术人员阅读使用,也可作为高等学校相关专业的教学用书。未经许可,不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有,侵权必究。图书在版编目(CIP)数据基于 ANSYS 的信号和电源完整性设计与分析/周润景,姜攀编著 郾 北京:电子工业出版社,2017郾 1ISBN 978-7-121-30495-8玉郾 淤基摇 域郾 淤周摇 于姜摇 芋郾 淤有限元分析-应用软件摇 郁郾 淤O241郾 82中国版本图书馆 CIP 数据核字(2016)第 2882
3、09 号策划编辑:张剑(zhang phei郾 com郾 cn)摇责任编辑:靳平印摇 摇 刷:装摇 摇 订:出版发行:电子工业出版社北京市海淀区万寿路 173 信箱摇 邮编 100036开摇 摇 本:787 伊1 092摇 1/16摇 印张:15郾 75摇 字数:403郾 2 千字版摇 摇 次:2017 年 1 月第 1 版印摇 摇 次:2017 年 1 月第 1 次印刷定摇 摇 价:49郾 00 元凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题,请向购买书店调换。若书店售缺,请与本社发行部联系,联系及邮购电话:(010)88254888,88258888。质量投诉请发邮件至 zlts phei郾 co
4、m郾 cn,盗版侵权举报请发邮件至 dbqq phei郾 com郾 cn。本书咨询联系方式:zhang phei郾 com郾 cn。前摇摇言目前,PCB 系统中最典型的电性能分析主要包括信号完整性(Signal Integrity,SI)、电源完整性(Power Integrity,PI)和电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility,EMC)三大方向,越来越多的人和公司开始逐渐意识到高速设计对 PCB 和系统设计带来的挑战。伴随着集成电子电路的工作频率和集成化程度的不断提高,PCB 布局布线越来越密集,信号之间的影响也越来越大,通过仿真手段在 PCB 设计阶段就对潜
5、在的 SI/PI/EMI 问题进行控制,可以降低研发成本与缩短产品开发时间。不管是在国外还是在国内,在半导体、芯片封装、计算机、通信、消费电子、航空航天和国防等各个领域,人们对 SI、PI 和 EMI 的设计流程和分析验证都显得格外重视。基于以上的认识,我们对本书各章节做了相应的安排。本书具有如下 3 个特点。理论与软件操作相结合:将信号完整性及电源完整性理论分析研究与 ANSYS 的信号完整性工具及电源完整性工具相结合,对高速电路设计中存在的信号完整性问题和电源完整性问题进行了分析和研究,并提出了相应的解决方法。与设计实例相结合:本书结合了 Altera 公司的 Stratix GX 开发板
6、、DDR 板卡与 StratixGX 开发板的互连系统、PCI-E 板卡等设计实例,对其中的信号完整性和电源完整性问题进行了分析与研究,使读者在掌握理论与软件操作的同时,最终将其应用到实际设计中。系统性与独立性:本书基本上涵盖了高速电路板设计中信号完整性、电源完整性及电磁兼容的基本问题,读者既可以把本书作为教材来系统性地学习,也可以当作工具书有针对性地阅读其中的某一章或某几章,从而适合不同层次、不同水平的读者进行阅读。本文所采用的 ANSYS 电子自动化设计(EDA)软件,提供业界唯一完整的系统、电路和电磁场全集成化设计平台,完成从部件设计、电路仿真优化到系统仿真验证的全过程,并在高频和低频电
7、磁场仿真、时域/频域非线性电路仿真、机电一体化设计技术等方面始终处于领导地位,广泛应用于各类高性能电子设备的设计。本书所采用的软件工具如下。HFSS:3 维高频结构全波电磁场仿真,对高速信号通道中的 PCB、过孔、封装、连接器、电缆等进行精确的全波仿真、设计与建模,仿真机箱/机柜的屏蔽效能、谐振特性和 PCB 系统的辐射特性。SIwave:PCB 和封装信号完整性/电源完整性、EMI/EMC 设计仿真工具,采用有限元法直接仿真复杂的 PCB 结构,得到 PCB 电源/地平面的谐振特性、完备的信号线传输模型、供电阻抗、直流压降、近场和远场辐射等特性。Designer:高速系统设计和仿真环境,可以
8、动态链接和直接调用 3 维电磁场仿真、PCB 电磁场仿真、电路仿真及测试数据,进行高速信号通道和 PCB 工作特性仿真。本书主要分为信号完整性分析、电源完整性分析、电磁兼容三大部分,每部分又可分为基础理论与软件操作。本书共 8 章,其中第 4 章由贾雯进行验证并编写,第 5 章由托亚进行芋验证并编写,第 7 章由姜攀进行验证并编写,其余各章由周润景编写,全书由周润景统稿。参加本书编写的还有王洪艳、蒋诗俊、李志、刘艳珍、刘白灵、韩亦俍、刘晓霞、张大山、何茹、张晨、樊宇。本书的出版得到了电子工业出版社张剑先生的大力支持,也有很多读者提出了宝贵的意见,在此一并表示感谢!本书得到国家自然科学基金的支持
9、(高速数字系统的信号与电源完整性联合分析及优化设计,项目批准号:61161001,2012郾 12015郾 12),在此表示感谢!本书对于高速电路设计人员及相关专业的教师、学生具有很好的使用价值与参考意义,并对提高我国高速电路的设计水平发挥积极的作用。由于 ANSYS 公司的仿真工具功能非常强大,不可能通过一本书完成全部内容的详尽介绍,加上时间与水平有限,不妥之处还望各位读者指正。编著者郁基于 ANSYS 的信号和电源完整性设计与分析目摇摇录第 1 章摇 信号完整性11郾 1摇 信号完整性的要求及问题的产生11郾 2摇 信号完整性问题的分类21郾 3摇 传输线基础理论31郾 4摇 端接电阻匹配
10、方式81郾 5摇 仿真模型121郾 6摇 S 参数271郾 7摇 电磁场求解方法29第 2 章摇 HDMI 的仿真与测试332郾 1摇 HDMI 简介332郾 2摇 HDMI 信号完整性前仿真分析342郾 3摇 HDMI 信号完整性后仿真分析352郾 3郾 1摇 切割 TMDS 差分线352郾 3郾 2摇 频域分析392郾 3郾 3摇 时域分析472郾 3郾 4摇 差分对匹配582郾 3郾 5摇 实测对比602郾 4摇 本章小结61第 3 章摇 PCIE 的仿真与测试623郾 1摇 PCIE 简介623郾 2摇 SIwave 提取传输线 S 参数633郾 3摇 差分对建模仿真分析683郾 4摇
11、 在 Designer 中联合仿真803郾 5摇 PCIE 的仿真与实测对比863郾 6摇 本章小结87第 4 章摇 SFP+高速通道的仿真与测试884郾 1摇 SFP+简介884郾 2摇 SFP+通道仿真894郾 3摇 系统级频域 S 参数仿真974郾 3郾 1摇 添加 S 参数模型984郾 3郾 2摇 添加频率扫描994郾 3郾 3摇 查看仿真结果1014郾 4摇 TDR 仿真1024郾 4郾 1摇 添加参数模型103吁4郾 4郾 2摇 建立瞬态分析1044郾 4郾 3摇 创建结果报告1054郾 5摇 时域眼图仿真1064郾 5郾 1摇 输入 AMI 模型1074郾 5郾 2摇 设置 AM
12、I 模型1094郾 5郾 3摇 仿真设置1094郾 5郾 4摇 查看眼图1114郾 5郾 5摇 添加眼罩1134郾 6摇 SFP+通道实际测试1164郾 7摇 本章小结118第 5 章摇 并行通道 DDR3 的仿真与分析1195郾 1摇 DDR3 简介1195郾 2摇 使用 SIwave 提取 DDR3 数据组1195郾 3摇 基于 Designer 的 SI 仿真1235郾 3郾 1摇 新建工程1235郾 3郾 2摇 选择元器件1235郾 3郾 3摇 运行分析1255郾 4摇 DDR3 的 SI+PI 仿真1265郾 4郾 1摇 眼图分析1265郾 4郾 2摇 SSN 分析1275郾 4郾
13、3摇 选取更多频率点的分析1295郾 5摇 IR drop 仿真1295郾 5郾 1摇 SIwave IR 压降检查1305郾 5郾 2摇 IR 压降仿真1315郾 6摇 2郾 5 维、3 维模型在信号完整性中的对比分析1335郾 7摇 本章总结144第 6 章摇 电源完整性问题1456郾 1摇 电源完整性概述1456郾 2摇 电源噪声形成机理及危害1456郾 3摇 VRM 模块1466郾 4摇 电容去耦原理1486郾 4郾 1摇 从储能角度来理解1486郾 4郾 2摇 从阻抗角度来理解1486郾 5摇 PDS 阻抗分析1496郾 5郾 1摇 PDS 简介1496郾 5郾 2摇 PCB PDS
14、 仿真1516郾 6摇 PCB 谐振仿真1566郾 6郾 1摇 谐振简介1566郾 6郾 2摇 PCB 谐振仿真1576郾 6郾 3摇 去耦电容容值估算161遇基于 ANSYS 的信号和电源完整性设计与分析6郾 6郾 4摇 两种去耦电容配置方法1626郾 6郾 5摇 PCB 谐振优化1626郾 7摇 传导干扰和电压噪声测量1656郾 8摇 直流压降分析1696郾 9摇 串行通道的 SSN 分析1746郾 10摇 DDR3 的同步开关噪声分析1856郾 10郾 1摇“Stratix IV GX FPGA Development Board冶 电路板简介1856郾 10郾 2摇 SIwave 提取
15、传输线 S 参数1866郾 10郾 3摇 在 Designer 中进行 DDR 的 SSN 分析1926郾 11摇 本章小结199第 7 章摇 辐射分析2007郾 1摇 电磁兼容概述2007郾 2摇 电磁兼容相关标准2017郾 3摇 电磁干扰方式2027郾 3郾 1摇 差模辐射2047郾 3郾 2摇 共模辐射2067郾 4摇 辐射仿真与分析2077郾 5摇 本章小结218第 8 章摇 信号完整性问题的场路协同仿真2198郾 1摇 SMA 串行通道仿真2198郾 1郾 1摇 Stratix V GX 信号完整性开发板简介2198郾 1郾 2摇 从 Cadence 导入 SIwave2218郾 1
16、郾 3摇 在 SIwave 中进行 SMA 通道仿真2218郾 2摇 SMA 建模2278郾 2郾 1摇 PCB 的切割2278郾 2郾 2摇 建立基座和同轴线缆2288郾 2郾 3摇 添加 Wave Port2308郾 2郾 4摇 仿真设置2318郾 2郾 5摇 查看仿真结果2318郾 3摇 Designer 对整个高速互连通道进行系统级仿真2328郾 3郾 1摇 导入参数模型2328郾 3郾 2摇 设置仿真参数和查看仿真结果2338郾 3郾 3摇 TDR 仿真2368郾 3郾 4摇 时域眼图分析2388郾 4摇 本章小结241参考文献242喻目摇 摇 录第第 1 章摇信号完整性广义上讲,信号完整性 SI(Signal Integrity)是指信号在信号传输过程中能够保持信号时域和频域特性的能力,即信号在电路中能以正确的时序、幅值及相位等做出响应。如果每个信号都是完整的,那么由这些完整的信号组成的系统,也同样具有很好的完整性。若电路中信号能够以要求的时序和电压幅度从源端传送到接收端,就表明该电路具有较好的信号完整性。否则,若信号不能正确地响应时,就出现了信号完整性问题。信号完整性具有
