ANSYS信号完整性分析与仿真实例

当前，电子系统设计已经全面进入高速电路设计领域，时钟频率的提高和电路板集成度的增加引发了诸多的信号完整性问题。信号完整性问题已经引起了国内外的普遍重视。国外对信号完整性问题的研究起步较早，在理论和技术方面已经出版了相关的多本教材。国内的几大知名IT企业为了缩短产品周期、降低研发成本，陆续建立了专门的信号完整性分析部门，并编写了设计规范。此外，国内也翻译或编写了相关的教材及专著。

我校于2002年举办了信号完整性培训班，作者参与了其培训教材的编写。近年来，作者开设了“高速电路信号完整性分析”校级开放实验课，并在教学和科研中，积累了一定经验。作者深知，信号完整性问题仅了解理论是不够的，在学习了理论的基础上需要结合大量仿真才能体会并掌握理论。现已出版的教材和专著，或是偏重理论或是只讲软件使用，很少有将信号完整性的理论与详细的原理性仿真结合起来的，本书的出现弥补了这一不足。

本书理论与原理性仿真结合紧密，注重对工程实际问题的解决，可操作性强。力求做到读者在碰到实际PCB设计问题时，可以依照本书提出的相应步骤建立仿真模型并分析；同时让读者了解到PCB设计中的实际物理结构可能存在的问题。本书的例子，来自于作者在教学中积累的大量的仿真实例，另一部分，来自于ANSYS公司授权的一些工程实例。通过每一章的理论介绍，先对相应的信号完整性问题有一个整体认识，再通过大量的原理仿真实例和工程应用实例，帮助读者深入理解理论，指导实际的工程设计，做到不仅会用软件，而且可以用软件指导设计。

本书包括11章。其中第1章、第2章、第4～11章均由房丽丽编写，第3章邀请ANSYS公司的李宝龙编写。

第1章介绍了信号完整性问题的基本问题，包括定义、成因及分类。

第2章介绍了高速电路新设计方法学的流程，并对高速互连通道的建模进行了讨论。

第3章介绍了ANSYS用于信号完整性分析的EDA软件。包括HFSS、SIwave、Designer、Q2D等。

第4章分析了反射的产生机理，对不同端接形式、不同拓扑结构、典型不连续结构的反射问题进行了分析探讨，并给出了消除反射的措施。

第5章分析了传输线的导体损耗和介质损耗所带来的信号完整性问题及其解决方法。

第6章分析了串扰的产生原理，并通过大量例子逐一讲解。此外还给出减小串扰的布线方法。

第7章分析了电源完整性的相关问题，包括SSN噪声、谐振等，并通过大量工程实例介绍了电源完整性的EDA软件分析流程。

第8章介绍了差分线的基本理论，分析了差分传输的优点，并进行了不同条件下的差分线仿真。

第9章介绍了缝隙和孔这两种典型的不连续结构，讨论了地回流问题，并进行了典型条件下的缝隙/过孔分析。

第10章介绍了高速信号的EMI辐射原理，并进行了工程实例仿真。

第11章介绍了场路协同仿真，通过实例详细介绍了协同的步骤，进行了仿真结果与测试结果的比较。

在此要感谢ANSYS公司和中国水利水电出版社为本书出版提供的帮助。感谢北京理工大学实验设备处提供的相关项目支持和帮助。感谢实验室的研究生李成娟、师婷、王伟、刘春明、李莹、张诚、刘迟、李名游、程磊、原浩鹏、秦亚楠、蒋哲、臧家伟参与了部分资料整理工作。还要特别感谢应子罡博士，他审阅了全稿，并提出了宝贵的意见和建议。

回顾在多年的信号完整性教学和研究中，帮助过我的人有很多，在此衷心感谢北京理工大学信息与电子学院微波技术研究所的吕昕教授、孙厚军教授和王学田教授，感谢你们一直以来的关心和支持。非常感谢ANSYS公司的李宝龙和丁海强，和你们在信号完整性仿真方面的讨论为本书提供了有益的帮助。

尽管编者付出了大量的艰苦工作来编写本书，但由于时间紧迫，水平所限，缺点与错误在所难免，欢迎使用本书的读者批评指正。

作者联系方式：fanglili@bit.edu.cn

序
前言

第1章 信号完整性的基本问题 1
1.1 高速电路的定义 1
1.2 信号完整性的定义 1
1.3 信号完整性产生的原因及要求 2
1.3.1 信号完整性产生的原因 2
1.3.2 波形完整性要求 2
1.3.3 时序完整性要求 2
1.4 信号的时域和频域特性 3
1.4.1 信号的时域和频域 4
1.4.2 电路分析的时域和频域 6
1.5 信号的上升沿和带宽 6
1.5.1 脉冲波形的性质 6
1.5.2 非理想脉冲有效频谱的上限频率和
下限频率 9
1.6 信号完整性问题的分类 11
1.7 单网络信号完整性问题 11
1.7.1 信号反射（reflection） 11
1.7.2 信号的衰减（attenuation） 12
1.7.3 信号的色散（dispersion） 13
1.8 多网络间信号完整性问题 14
1.9 电源分配系统中的信号完整性问题 15
1.9.1 源/地反弹 15
1.9.2 同步开关噪声 15
1.10 电磁干扰和辐射 16
1.11 系统时序 16
1.11.1 信号的延迟（propagation delay） 16
1.11.2 信号的偏差（skew） 17
1.11.3 信号的抖动（jitter） 17
1.12 信号完整性的分析范畴 17
第2章 高速电路的新设计方法学 19
2.1 新设计方法学的设计流程 20
2.1.1 布线前仿真 21
2.1.2 布线后仿真 21
2.1.3 典型的前、后仿真流程 21
2.2 高速互连通道SI模型 22
2.3 有源器件模型 23
2.3.1 SPICE模型 23
2.3.2 IBIS模型 23
2.4 无源元件建模 26
2.4.1 经验法则 26
2.4.2 解析近似 26
2.4.3 数值仿真 26
2.5 EDA仿真工具及比较 27
2.5.1 电磁场仿真 27
2.5.2 电路仿真 29
2.5.3 行为仿真 29
2.6 信号完整性分析的协同仿真 29
第3章 ANSYS用于信号完整性分析的
EDA软件 31
3.1 ANSYS的EDA软件简介 31
3.2 HFSS软件 32
3.2.1 HFSS概述 32
3.2.2 功能简介 33
3.2.3 HFSS在信号完整性分析中的作用 33
3.2.4 工作窗口 34
3.2.5 基本操作 34
3.3 Designer软件 39
3.3.1 Designer概述 39
3.3.2 功能简介 39
3.3.3 Designer在信号完整性分析中
的作用 39
3.3.4 工作窗口 40
3.3.5 基本操作 41
3.4 SIwave软件 43
3.4.1 SIwave概述 43
3.4.2 功能简介 43
3.4.3 SIwave在信号完整性分析中的作用 44
3.4.4 工作窗口 44
3.4.5 基本操作 45
3.5 Q2D（以前称SI2D）/Q3D软件 50
3.5.1 Q2D/Q3D概述 50
3.5.2 功能简介 50
3.5.3 Q2D/Q3D在信号完整性分析中
的作用 50
3.5.4 工作窗口 51
3.5.5 基本操作 52
第4章 反射 58
4.1 反射的基本理论 58
4.1.1 从路的观点看反射问题 58
4.1.2 欠阻尼和过阻尼 59
4.1.3 一次反射 59
4.1.4 多次反射 60
4.1.5 阻性负载对反射的影响 61
4.1.6 容性负载对反射的影响 62
4.1.7 感性负载对反射的影响 63
4.2 TDR测试 64
4.2.1 TDR测试原理 64
4.2.2 TDR测试对不同负载的反应 65
4.3 消除反射的措施 66
4.4 端接匹配 67
4.4.1 端接策略 67
4.4.2 串行端接 67
4.4.3 并行端接 68
4.5 拓扑结构 69
4.5.1 菊花链结构 69
4.5.2 Fly-by结构 70
4.5.3 星型结构 70
4.5.4 远端簇结构 71
4.5.5 树型结构 71
4.6 不同条件下的反射分析 71
4.6.1 反弹图 71
4.6.2 传输线多长需要考虑匹配 77
4.6.3 两种基本的匹配比较 81
4.6.4 短串接传输线的反射 83
4.6.5 短桩线传输线的反射 87
4.6.6 连线中途的容性负载反射 89
4.6.7 感性突变引起的反射 91
4.6.8 串联电感的补偿 93
4.6.9 Fly-by拓扑结构 95
4.6.10 daisy chain拓扑结构 98
4.6.11 far-end cluster拓扑结构 102
4.6.12 star拓扑结构 104
4.6.13 Tree拓扑结构 110
4.6.14 单端/差分TDR仿真 116
4.6.15 分析跨层传输线的TDR 119
第5章 有损耗传输线 123
5.1 传输线损耗和信号的衰减 124
5.1.1 电阻损耗 124
5.1.2 介质损耗 125
5.2 色散 126
5.3 有耗线的时域影响 128
5.4 眼图和误码率（BER） 128
5.4.1 眼图 128
5.4.2 抖动 130
5.4.3 误码率 131
5.5 不同条件下的有耗传输线分析 132
5.5.1 有耗传输线带宽分析 133
5.5.2 有耗传输线对上升沿的影响 136
5.5.3 上升沿对有耗传输线的要求 137
5.5.4 有耗传输线的瞬态分析 139
5.5.5 有耗传输线的眼图分析 141
第6章 串扰 151
6.1 串扰的原理性分析 151
6.1.1 容性耦合机制 152
6.1.2 感性耦合机制 153
6.1.3 总的串扰 154
6.1.4 减小串扰的措施 154
6.2 不同条件下的串扰分析 155
6.2.1 上升沿对串扰的影响 155
6.2.2 耦合长度对微带线串扰的影响 157
6.2.3 耦合长度对带状线串扰的影响 167
6.2.4 耦合传输线的SPICE矩阵 170
6.2.5 典型间距下传输线的耦合电容和
耦合电感 172
6.2.6 耦合间距对微带线串扰的影响 174
6.2.7 耦合间距对带状线串扰的影响 174
6.2.8 脉冲宽度对串扰的影响 176
6.2.9 负载端匹配下的串扰 180
6.2.10 源端匹配下的串扰 181
6.2.11 不匹配下的串扰 185
6.2.12 介电常数对串扰的影响 186
6.2.13 多条干扰微带线的串扰影响 189
6.2.14 多条干扰带状线的串扰影响 192
6.2.15 负载端匹配下防护线对串扰
的影响 195
6.2.16 源端匹配下的防护线对串扰
的影响 200
6.2.17 干扰时序对信号的影响 206
6.3 PCB中的串扰分析实例 209
6.4 封装中的串扰分析实例 215
第7章 电源完整性问题 225
7.1 引言 225
7.2 同步开关噪声（SSN） 226
7.2.1 ΔI电流的产生 226
7.2.2 减小ΔI电流的方法 229
7.2.3 减小SSN噪声的方法 229
7.3 PCB整板的谐振 231
7.3.1 谐振频率的求解 231
7.3.2 矩形谐振场波形 232
7.4 电源分配系统 233
7.5 去耦电容的特性 235
7.5.1 电容的频率特性 235
7.5.2 电容并联特性 237
7.6 电源完整性的总体设计流程 238
7.7 整板谐振模式分析（SIwave) 239
7.8 PDS的阻抗分析（SIwave) 249
7.9 传导干扰分析和电压噪声
测量（SIwave） 255
7.10 SIwave 确认检查 261
7.11 电源直流压降（DC IRdrop）
分析（SIwave） 266
7.12 SSN分析（SIwave& Designer） 274
7.13 DDR的SSN分析 284
7.14 SIwizard进行SSN仿真 302
7.14.1 不带无源元件 302
7.14.2 带有无源元件 307
7.15 定制键合线绘制（SIwave） 311
7.16 系统级的封装与PCB板
连接（SIwave） 315
第8章 差分线 319
8.1 差分线基本理论 320
8.1.1 差分线中的参数 320
8.1.2 差分线的端接匹配 321
8.1.3 差分传输可以减小串扰 322
8.1.4 差分传输在不连续问题中可减小
信号不完整 323
8.2 不同条件下的差分线分析 323
8.2.1 间距对差分线各种参数的影响 323
8.2.2 返回路径平面距离对阻抗的影响 331
8.2.3 阻焊层厚度对阻抗的影响 332
8.2.4 差分线的匹配 334
8.2.5 差分信号到共模信号的转换 338
8.2.6 差分对的串扰分析 342
8.2.7 分析缝隙对差分对的影响 346
第9章 缝隙和过孔 349
9.1 过孔的等效电路 350
9.2 存在地孔时的电感 351
9.3 过孔的匹配 351
9.4 HDI技术的过孔比较 352
9.5 地回流问题 355
9.5.1 不同电位的参考层放置旁路电容 355
9.5.2 相同电位的参考层放置地孔 357
9.6 参考平面的缝隙 358
9.6.1 参考平面缝隙对信号的影响 358
9.6.2 参考平面缝隙的参数估算 359
9.6.3 解决参考面缝隙的方法 360
9.7 典型条件下的缝隙/过孔分析 361
9.7.1 多层PCB下的缝隙的四种分析 361
9.7.2 分析缝隙对传输线的影响 384
9.7.3 分析缝隙对串扰的影响 395
9.7.4 分析加载电容的缝隙对传输线
的影响 399
9.7.5 分析增加平面层的缝隙对传输线
的影响 408
9.7.6 分析过孔长度以及stub的影响 417
9.7.7 分析过孔直径、焊盘直径和反焊盘
直径的影响 422
9.7.8 分析加地孔的影响 431
第10章 辐射 438
10.1 辐射原理 438
10.1.1 共模电流和差模电流 438
10.1.2 差模辐射 438
10.1.3 共模辐射 440
10.2 SIwave和 Designer协同分析远近场
辐射 441
第11章 信号完整性问题的场路协同仿真 450
11.1 ANSYS信号完整性设计的整体流程 450
11.2 高速互连通道协同仿真 452
11.2.1 AnsoftLinks与HFSS协同仿真
Flipchip封装 452
11.2.2 Q3D提取差分Stripline寄生参数 460
11.2.3 HFSS对差分过孔建模 467
11.2.4 HFSS对SMA连接器建模 484
11.2.5 Designer对整个高速互连通路
进行系统仿真 494
11.3 SIwave和Designer协同分析EMI 510

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