高速數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)PCB導(dǎo)線傳輸時(shí)很容易受到介質(zhì)損耗的影響而發(fā)生畸變，靠傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則很難解決GHz頻段面臨的許多SI/EMI設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文介紹了通過(guò)SpecctraQuest工具給出電路板的分層設(shè)計(jì)規(guī)則和損耗預(yù)測(cè)的方法，以及用Hspice工具驗(yàn)證器件模型，并對(duì)去耦電容的選擇和布局進(jìn)行電源和地平面分析，用Maxwell 2D和3D場(chǎng)求解工具獲得特殊布線/元件結(jié)構(gòu)的精確幾何參數(shù)。


     隨著通信系統(tǒng)中高速板設(shè)計(jì)復(fù)雜性的日益提高，依賴某一種特定的CAD工具已經(jīng)無(wú)法在可接受的精度范圍內(nèi)完成整個(gè)設(shè)計(jì)仿真。PCB設(shè)計(jì)工程師和信號(hào)完整性(SI)設(shè)計(jì)工程師需要采用各種仿真工具。除了價(jià)格、性能、速度和精度始終是選擇工具集的主要準(zhǔn)則之外，如何使用來(lái)自多家EDA工具軟件供應(yīng)商的CAD工具來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)、SI和電磁干擾(EMI)設(shè)計(jì)規(guī)則，也是中國(guó)設(shè)計(jì)工程師關(guān)注的重要問(wèn)題。一般而言，優(yōu)良的設(shè)計(jì)和SI/EMI分析工具的組合應(yīng)該包括：版圖設(shè)計(jì)工具、板級(jí)仿真器、精確的場(chǎng)求解工具以及詳細(xì)的仿真引擎。


     本文所討論的工具包括：Allegro和SpecctraQuest、Hspice、Spicelink和HFSS：Allegro是目前通用的版圖設(shè)計(jì)工具；由于具備與Allegro相同的數(shù)據(jù)庫(kù)，SpecctraQuest被用做板級(jí)仿真的主要工具，避免了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題；Hspice是實(shí)現(xiàn)更精確分析的工具；Spicelink和HFSS提供2D和3D場(chǎng)解決方案，對(duì)各種互連幾何形狀進(jìn)行分析(通孔、連接器等)，特別是需要高頻分析的時(shí)候。


      為了有效地利用現(xiàn)有的CAD工具，要在恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)階段選用相應(yīng)的工具。本文以卡和主板之間傳輸率為2.5Gbps到12.5Gbps的高速通信系統(tǒng)為案例，介紹如何正確使用多種仿真工具來(lái)解決速度達(dá)到Gbps的PCB設(shè)計(jì)問(wèn)題。


用SpecctraQuest建立設(shè)計(jì)規(guī)則


      Allegro是版圖設(shè)計(jì)工具，SpecctraQuest是板級(jí)仿真工具，兩者組合的優(yōu)勢(shì)在于共享相同的龐大數(shù)據(jù)庫(kù)，采用相同的仿真引擎和類似的圖形用戶界面。由于Allegro和SpecctraQuest進(jìn)一步集成，設(shè)計(jì)工程師就能夠在設(shè)計(jì)階段同時(shí)進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)和仿真。要使設(shè)計(jì)的卡和背板能傳輸2.5Gbps、邊沿速率為100ps-200ps的串行數(shù)據(jù)信號(hào)，必須掌握在該頻段的SI問(wèn)題并加以有效地管理。需要了解的主要SI問(wèn)題包括：趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗、耦合以及驅(qū)動(dòng)器預(yù)加重等。SpecctraQuest工具可以仿真和解決下列問(wèn)題：


a．采用SignalExplorer工具進(jìn)行預(yù)布局分析并提取重要節(jié)點(diǎn)。隨著電路板的日益復(fù)雜化，預(yù)布局分析和設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)置越來(lái)越重要。采用SpecctraQuest電路圖提取工具，SignalExplorer能夠根據(jù)電路參數(shù)變化進(jìn)行預(yù)布局分析，并能夠?qū)⒅匾木W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提取到電路瀏覽器當(dāng)中，從而對(duì)布線和版圖后期設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查。與許多其它的電路級(jí)仿真工具一樣，SpecctraQuest的缺點(diǎn)之一是缺乏詳細(xì)的建模能力，換言之，IBIS模型是唯一可以采用的器件模型。因此，在SignalExplorer中進(jìn)行分析之前，必須可靠地評(píng)估行為模型。


     采用SignalExplorer可以解決下列問(wèn)題：評(píng)估電路板分層的幾何尺寸、估計(jì)趨膚效應(yīng)和介質(zhì)引起的損耗、給出高速數(shù)據(jù)/時(shí)鐘容許的線長(zhǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)則、給出控制耦合的線間距、給出終端類型和數(shù)值以及所有差分對(duì)的最大失配長(zhǎng)度。經(jīng)驗(yàn)表明，從上述仿真獲得的設(shè)計(jì)規(guī)則能為工程布局和布線提供有價(jià)值的指南，從而極大地縮短設(shè)計(jì)周期并降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。


b．損耗和補(bǔ)償


     趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗通常被認(rèn)為是千兆數(shù)據(jù)傳輸板設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題。趨膚效應(yīng)決定線的寬度，介質(zhì)損耗決定于構(gòu)成PCB的材料。要解決這兩個(gè)基本問(wèn)題，板級(jí)仿真器必須具備處理具有頻率獨(dú)立參數(shù)的有損傳輸線的能力，SpecctraQuest就滿足這個(gè)要求。仿真和測(cè)量結(jié)果表明，在GHz頻段介質(zhì)損耗占主要地位。


     在通信系統(tǒng)中，高速數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)的導(dǎo)線傳輸，因而很容易受到介質(zhì)損耗的影響而發(fā)生畸變。克服這種損耗影響的一個(gè)方法是采用均衡器和預(yù)加重器。均衡方法有幾種可供選擇，本文只討論采用無(wú)源元件的均衡電路。而因?yàn)榇蠖鄶?shù)器件都內(nèi)建了均衡電路，IBIS類模型很難對(duì)其補(bǔ)償。


     通過(guò)把無(wú)源元件從器件中分離出來(lái)放到電路板上，我們可以對(duì)均衡效應(yīng)進(jìn)行仿真。利用SpecctraQuest分析修改后的網(wǎng)表，可以獲得均衡器應(yīng)用的通用指南。


     當(dāng)介質(zhì)的影響不大時(shí)，均衡器不應(yīng)該發(fā)生作用。均衡器的作用是補(bǔ)償長(zhǎng)互連線上的高頻成分損失。預(yù)加重可能會(huì)導(dǎo)致較短互連線的眼圖變壞。隨著互連線的增長(zhǎng)，F(xiàn)R4板材的介質(zhì)損耗會(huì)越來(lái)越大。信號(hào)的高頻成分(對(duì)應(yīng)于陡峭的上升/下降沿)會(huì)消失，低頻成分則被保留下來(lái)。為了有效地使用預(yù)加重功能，必須首先估算信號(hào)傳輸路徑上互連線的長(zhǎng)度，然后決定是否采取補(bǔ)償措施。對(duì)所有傳輸高速率的互連線都采取預(yù)加重處理并不是最優(yōu)化的。


     表1比較了2.5Gbps信號(hào)通過(guò)不同長(zhǎng)度的差分互連線時(shí)，預(yù)加重器處于開(kāi)/關(guān)兩種狀態(tài)下眼圖窗口和抖動(dòng)的差異。


c. GHz頻段的耦合


     在數(shù)據(jù)率低于Gbps的時(shí)候，耦合一直是PCB設(shè)計(jì)中影響噪聲指標(biāo)的主要因素。由于耦合信號(hào)的頻率成分比入侵信號(hào)的頻率成分更高，所以其損耗比原始的Gbps信號(hào)受到的損耗要大，自然對(duì)噪聲指標(biāo)的影響就降低了。


     大多數(shù)版圖設(shè)計(jì)工具根據(jù)由布線幾何形狀和材料決定的耦合系數(shù)來(lái)估算耦合的影響，這就導(dǎo)出了限制平行距離的線性估計(jì)公式，它降低了布線密度。事實(shí)上，在長(zhǎng)的布線上耦合會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。在估算過(guò)程中忽略飽和效應(yīng)會(huì)導(dǎo)出比需要量更密的布線設(shè)計(jì)規(guī)則。為此，要采用SpecctraQuest進(jìn)行全面的仿真以決定設(shè)計(jì)中的耦合規(guī)則。


     對(duì)于2.5Gbps數(shù)據(jù)，上升時(shí)間的典型值是150ps，飽和長(zhǎng)度大約是300mil，這就是說(shuō)，實(shí)際耦合線可以長(zhǎng)于300mil而不增加耦合預(yù)算值。表2顯示了2.5Gbps速率、擺幅500mv、上升時(shí)間為110ps的信號(hào)的耦合飽和參數(shù)和損耗。耦合在大約300-400mil處達(dá)到飽和，因?yàn)閾p耗使其幅度在長(zhǎng)布線上出現(xiàn)較大衰減。根據(jù)這一規(guī)律，設(shè)計(jì)工程師可以更有效地布線，而這一點(diǎn)比許多版圖設(shè)計(jì)工具給出的設(shè)計(jì)規(guī)則更有效。


用Maxwell 2D/3D設(shè)計(jì)復(fù)雜布線結(jié)構(gòu)


    對(duì)于傳輸速率在10G到12.5Gpbs的較高速率，F(xiàn)R-4板材會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，要采用其它損耗特性更佳的板材。如圖1所示為一種共面結(jié)構(gòu)的電路板，它被用于在電路板頂層傳輸10Gbps到12.5Gbps的數(shù)據(jù)，所用的板材為RO4350。該板材的介質(zhì)損耗很低，但是只能在頂層/底層布線，因而傳輸10GHz信號(hào)要用表層線。采用共面結(jié)構(gòu)信號(hào)的質(zhì)量比較好，EMI比較低。要采用3D 場(chǎng)求解工具計(jì)算線寬和間隔以確保50歐姆的線阻抗，使之與驅(qū)動(dòng)電路輸出阻抗匹配?？梢圆捎肕axwell 3D場(chǎng)求解工具。


連接器的建模


      信號(hào)以Gbps數(shù)據(jù)率傳輸時(shí)，通孔、連接器和相關(guān)的線頭會(huì)引起信號(hào)完整性問(wèn)題，連接器和通孔效應(yīng)的精確建模和仿真對(duì)于預(yù)測(cè)信號(hào)質(zhì)量非常重要。


      Maxwell 3D場(chǎng)求解工具用于提取連接器的VHDM和HSD模型，連接器模型建立后，要以SpecctraQuest DML格式嵌入，用于Hspice子電路進(jìn)行板級(jí)仿真。一般來(lái)說(shuō)，即使成功設(shè)計(jì)出來(lái)Gbps速率的卡，要設(shè)計(jì)傳輸速率達(dá)到5-10Gbps的背板仍然會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)。Maxwell場(chǎng)求解工具有助于為實(shí)現(xiàn)這樣的數(shù)據(jù)率創(chuàng)建連接器模型。


采用Hspice進(jìn)行詳細(xì)分析


a. 采用Hspice進(jìn)行電源層分析


      在GHz頻段，電源的傳遞面臨新的挑戰(zhàn)，要采用精密建模技術(shù)和分析工具來(lái)獲得真實(shí)的(電源)平面響應(yīng)。Hspice是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)精密掃頻分析的工具，并具有基于晶體管的IC模型以便對(duì)感興趣的并發(fā)開(kāi)關(guān)噪聲(SSN)進(jìn)行仿真。


      對(duì)于向高頻差分元件傳遞電源的電源層，可以采用傳輸線網(wǎng)孔模型來(lái)評(píng)估高頻時(shí)電源/地平面的行為。例如，要分析PCB中一對(duì)2英寸×2.5英寸的電源/接地平面， 平面間隔3.5mil，要求邊沿速率70ps，帶寬5GHz。一般的做法是根據(jù)某個(gè)主要的差分元件的參數(shù)指標(biāo)，每一個(gè)差分電源/接地平面對(duì)的目標(biāo)阻抗預(yù)算為272m?，傳輸線網(wǎng)孔模型用來(lái)確定電源?地平面的頻域響應(yīng)。對(duì)于1Gbps以上速率，建議要分別考慮有損和無(wú)損情況以確定在模型中加入介質(zhì)損耗的影響。


     該模型用于進(jìn)行Hspice仿真，得到的諧振頻率為1.2GHz，仿真結(jié)果表明：通過(guò)在電源/接地平面考慮介質(zhì)損耗問(wèn)題，能夠極大地降低諧振振幅，有助于電源/接地平面的頻域響應(yīng)以達(dá)到目標(biāo)阻抗的要求。由于多數(shù)高速串行數(shù)據(jù)都是采用差分傳輸方式，該電源/接地平面專用于2.5Gbps差分信號(hào)的傳輸。理想情況下，差分元件因具有差分特性而不吸取瞬態(tài)電流。因此，實(shí)際上目標(biāo)阻抗可以更高一些，通過(guò)減少不必要的PCB層數(shù)，還可以避免超指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。


b. 采用Hspice評(píng)估元件并進(jìn)行高頻分析


      盡管IBIS模型廣泛用于板級(jí)仿真，在新元件評(píng)估中，基于晶體管驅(qū)動(dòng)器/接收器模型的分析仍然至關(guān)重要。隨著IC制造商越來(lái)越多地以Hspice加密形式提供基于晶體管的模型，Hspice逐漸成為元件評(píng)估的唯一工具。這樣的仿真應(yīng)該包括加載/卸載封裝效應(yīng)、以及器件不同類型和長(zhǎng)度的驅(qū)動(dòng)傳輸線。為此，需要制造商合作提供正確的模型并根據(jù)實(shí)際元件的情況修改模型。確定了元件之后，就可以根據(jù)最終Hspice模型和功能指標(biāo)創(chuàng)建和驗(yàn)證IBIS模型。在更高的信號(hào)速率，例如10-12.5Gbps，行為模型不再有效，對(duì)于工作在該頻段的器件，試圖創(chuàng)建IBIS模型是沒(méi)有意義的。


仿真工具集成流程

     根據(jù)上述研究和SI設(shè)計(jì)指南，我們成功地設(shè)計(jì)了收發(fā)速率達(dá)到12.5Gbps的電路板，該板向40Gbps器件傳送2.5Gbps速率的數(shù)據(jù)。前面已經(jīng)詳細(xì)討論了怎樣利用CAD工具解決不同的設(shè)計(jì)問(wèn)題，然而，設(shè)計(jì)工程師通常忽視的一個(gè)問(wèn)題是：在高速設(shè)計(jì)過(guò)程中，面對(duì)眾多的EDA工具何時(shí)選用何種工具？因此，設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該按照下列標(biāo)準(zhǔn)的流程來(lái)集成仿真工具：


采用Hspice和SpecctraQuest開(kāi)發(fā)SI模型；

采用Maxwell和SpecctraQuest開(kāi)發(fā)電路板的分層策略、各層參數(shù)和布線模型；

采用Hspice進(jìn)行去耦電容電源平面分析；

采用SpecctraQuest進(jìn)行底層規(guī)劃、版圖指標(biāo)確定、預(yù)布線分析和布線后驗(yàn)證。


為了高效地執(zhí)行這個(gè)流程，硬件設(shè)計(jì)工程師和設(shè)計(jì)管理人員必須掌握SI和EMI的基礎(chǔ)知識(shí)。


發(fā)展趨勢(shì)

    目前，在EDA工具領(lǐng)域，除了針對(duì)特殊產(chǎn)品的專用信號(hào)完整性設(shè)計(jì)工具之外，采用集成手段以滿足高速PCB設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)EDA工具的迫切需求已經(jīng)成為提升設(shè)計(jì)行業(yè)技術(shù)水平的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，這表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：


     高速設(shè)計(jì)的疆界已經(jīng)由過(guò)去的通信產(chǎn)品擴(kuò)展到移動(dòng)電話、數(shù)碼影像之類的消費(fèi)電子產(chǎn)品。EDA工具供應(yīng)商逐步認(rèn)識(shí)到，他們所提供的工具解決方案必須速度更快，必須能夠解決更復(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題，必須高度集成以解決PCB設(shè)計(jì)行業(yè)面臨的全方位挑戰(zhàn)，從而縮短復(fù)雜高速電路板設(shè)計(jì)的周期。


     隨著高速器件、連接器、集成電路應(yīng)用的日益增多，對(duì)集成多種建模語(yǔ)言的PCB信號(hào)完整性設(shè)計(jì)工具存在很大需求。Mentor Graphics公司的ICX 3.0就是一種可選的方案，它在單一仿真環(huán)境下支持SPICE、IBIS和VHDL-AMS的PCB信號(hào)完整性工具，從而避免因模型種類不同、采用多種不同來(lái)源的EDA工具集帶來(lái)的開(kāi)發(fā)周期被拖延的問(wèn)題。


     隨著越來(lái)越多的高速PCB采用復(fù)雜封裝的IC，由于PCB和IC中包含有多重、任意形狀的電源/接地層、任意數(shù)量的過(guò)孔和信號(hào)線段，噪音、電源/接地層的反彈、共振、反射，以及導(dǎo)線線段與電源/接地層間的耦合問(wèn)題將更加嚴(yán)重，PCB設(shè)計(jì)不可避免地要考慮IC的封裝因素，如何生成PCB和IC的頻域和時(shí)域模型，以便進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真也是業(yè)界面臨的一個(gè)重要課題。在EDA工具內(nèi)部集成的全波分析引擎，通過(guò)對(duì)板級(jí)電磁場(chǎng)的特征分析來(lái)完成板級(jí)模型的量化和處理。