编辑推荐
《ANSYS高级仿真技术系列·万水ANSYS技术丛书:ANSYS信号完整性分析与仿真实例》特色:
可读性强
《ANSYS高级仿真技术系列·万水ANSYS技术丛书:ANSYS信号完整性分析与仿真实例》对高速电路设计中的信号完整性问题进行了系统和全面的理论分析,强调更直观的物理概念和形象化理解。
全方位全频段的系统解决方案
基于ANSYS软件解决电路设计中的SI/PI/EMlI程实际问题,应用软件全面(电磁场仿真工具HFSS、Slwave、Q3D,电路和系统仿真工具Designer),场路协同仿真和系统仿真能力出众。
与实际应用联系密切
提供了大量的PCB和封装的SI/PI/EMII程实例,内容丰富。
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书中的工程实例仿真设计指导步骤详细,便于操作。
内容简介
《ANSYS高级仿真技术系列·万水ANSYS技术丛书:ANSYS信号完整性分析与仿真实例》全面阐述了信号完整性的EDA分析流程,分析了信号完整性问题的原理并基于ANSYS软件进行了大量原理仿真和工程实例仿真。
《ANSYS高级仿真技术系列·万水ANSYS技术丛书:ANSYS信号完整性分析与仿真实例》体系完整、可读性和可操作性强,理论分析紧密结合大量的原理仿真。同时,通过详实的工程实例使读者能够熟练掌握信号完整性分析流程,从而对实际工程问题给出正确解决方案。
《ANSYS高级仿真技术系列·万水ANSYS技术丛书:ANSYS信号完整性分析与仿真实例》可作为高等院校、研究院所、公司等从事信号完整性分析的工程人员的工程手册,也可作为高校相关专业的研究生和本科生的科研教学参考书。
内页插图
目录
序
前言
第1章 信号完整性的基本问题
1.1 高速电路的定义
1.2 信号完整性的定义
1.3 信号完整性产生的原因及要求
1.3.1 信号完整性产生的原因
1.3.2 波形完整性要求
1.3.3 时序完整性要求
1.4 信号的时域和频域特性
1.4.1 信号的时域和频域
1.4.2 电路分析的时域和频域
1.5 信号的上升沿和带宽
1.5.1 脉冲波形的性质
1.5.2 非理想脉冲有效频谱的上限频率和下限频率
1.6 信号完整性问题的分类
1.7 单网络信号完整性问题
1.7.1 信号反射(reflection)
1.7.2 信号的衰减(attenuation)
1.7.3 信号的色散(dispersion)
1.8 多网络间信号完整性问题
1.9 电源分配系统中的信号完整性问题
1.9.1 源/地反弹
1.9.2 同步开关噪声
1.10 电磁干扰和辐射
1.11 系统时序
1.11.1 信号的延迟(propagationdelay)
1.11.2 信号的偏差(skew)
1.11.3 信号的抖动(jitter)
1.12 信号完整性的分析范畴
第2章 高速电路的新设计方法学
2.1 新设计方法学的设计流程
2.1.1 布线前仿真
2.1.2 布线后仿真
2.1.3 典型的前、后仿真流程
2.2 高速互连通道SI模型
2.3 有源器件模型
2.3.1 SPICE模型
2.3.2 IBIS模型
2.4 无源元件建模
2.4.1 经验法则
2.4.2 解析近似
2.4.3 数值仿真
2.5 EDA仿真工具及比较
2.5.1 电磁场仿真
2.5.2 电路仿真
2.5.3 行为仿真
2.6 信号完整性分析的协同仿真
第3章 ANSYS用于信号完整性分析的EDA软件
3.1 ANSYS的EDA软件简介
3.2 HFSS软件
3.2.1 HFSS概述
3.2.2 功能简介
3.2.3 HFSS在信号完整性分析中的作用
3.2.4 工作窗口
3.2.5 基本操作
3.3 Designer软件
3.3.1 Designer概述
3.3.2 功能简介
3.3.3 Designer在信号完整性分析中的作用
3.3.4 工作窗口
3.3.5 基本操作
3.4 SIwave软件
3.4.1 SIwave概述
3.4.2 功能简介
3.4.3 SIwave在信号完整性分析中的作月
3.4.4 工作窗口
3.4.5 基本操作
3.5 Q2D(以前称SI2D)/Q3D软件
3.5.1 Q2D/Q3D概述
3.5.2 功能简介
3.5.3 Q2D/Q3D在信号完整性分析中的作用
3.5.4 工作窗
3.5.5 基本操作
第4章 反射
4.1 反射的基本理论
4.1.1 从路的观点看反射问题
4.1.2 欠阻尼和过阻尼
4.1.3 一次反射
4.1.4 多次反射
4.1.5 阻性负载对反射的影响
4.1.6 容性负载对反射的影响
4.1.7 感性负载对反射的影响
4.2 TDR测试
4.2.1 TDR测试原理
4.2.2 TDR测试对不同负载的反应
4.3 消除反射的措施
4.4 端接匹配
4.4.1 端接策略
4.4.2 串行端接
4.4.3 并行端接
4.5 拓扑结构
4.5.1 菊花链结构
4.5.2 Fly-by结构
4.5.3 星型结构
4.5.4 远端簇结构
4.5.5 树型结构
4.6 不同条件他件的反射分析
4.6.1 反弹图
4.6.2 传输线多长需要考虑匹配
4.6.3 两种基本的匹配比较
4.6.4 短串接传输线的反射
4.6.5 短桩线传输线的反射
4.6.6 连线中途的容性负载反射
4.6.7 感性突变引起的反射
4.6.8 串联电感的补偿
4.6.9 Fly-by拓扑结构
4.6.10 daisychain拓扑结构
4.6.11 far-endcluster拓扑结构
4.6.12 star拓扑结构
4.6.13 Tree拓扑结构
4.6.14 单端/差分TDR仿真
4.6.15 分析跨层传输线的TDR
第5章 有损耗传输线
5.1 传输线损耗和信号的衰减
5.1.1 电阻损耗
5.1.2 介质损耗
5.2 色散
5.3 有耗线的时域影响
5.4 眼图和误码率(BER)
5.4.1 眼图
5.4.2 抖动
5.4.3 误码率
5.5 不同条件下的有耗传输线分析
5.5.1 有耗传输线带宽分析
5.5.2 有耗传输线对上升沿的影响
5.5.3 上升沿对有耗传输线的要求
5.5.4 有耗传输线的瞬态分析
5.5.5 有耗传输线的眼图分析
第6章 串扰
6.1 串扰的原理性分析
6.1.1 容性耦合机制
6.1.2 感性耦合机制
6.1.3 总的串扰
6.1.4 减小串扰的措施
6.2 不同条件下的串扰分析
6.2.1 上升沿对串扰的影响
6.2.2 耦合长度对微带线串扰的影响
6.2.3 耦合长度对带状线串扰的影响
6.2.4 耦合传输线的SPICE矩阵
6.2.5 典型间距F传输线的耦合电容和
耦合电感
第7章 电源完整性问题
第8章 差分线
第9章 缝隙和过孔
第10章 辐射
第11章 信号完整性问题的场路协同仿真
前言/序言
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。
《ANSYS高级仿真技术系列·万水ANSYS技术丛书:ANSYS信号完整性分析与仿真实例》 内容简介 本书深入探讨了在现代电子系统设计中至关重要的信号完整性(SI)分析技术,并结合ANSYS仿真平台,提供了详实的应用案例和实践指导。旨在帮助读者掌握从原理到实践的完整信号完整性设计流程,有效解决高速数字信号传输中遇到的各种挑战,从而提升产品性能、稳定性和可靠性。 第一部分:信号完整性基础理论 本部分将从最基本的概念出发,为读者构建扎实的信号完整性理论基础。我们将详细介绍以下核心内容: 电子信号传播的基础: 理想信号与真实信号: 阐述理想方波信号在传输过程中如何因各种因素而失真,如上升/下降时间、过冲、下冲、振铃等。 传输线理论: 深入讲解均匀传输线模型,包括特性阻抗、传播延迟、损耗(电阻性损耗和介质损耗)等关键参数的物理意义和计算方法。 集肤效应与邻近效应: 分析高频信号在导体中传播时,电流分布如何随频率变化,以及多根信号线之间的耦合效应如何影响信号质量。 反射与阻抗匹配: 详细讲解信号在传输线终端发生反射的原理,以及如何通过精确的阻抗匹配来最小化反射,确保信号能量的有效传输。 噪声的来源与传播: 串扰(Crosstalk): 深入剖析同层相邻信号线、不同层信号线之间的耦合机制,以及如何通过间距、地层隔离等方式来减小串扰。 电源噪声(Power Supply Noise/PDN Noise): 分析电源分配网络(PDN)的阻抗特性,以及在开关瞬态时引起的电压跌落(IR Drop)和高频噪声,探讨其对信号完整性的影响。 电磁干扰(EMI)与电磁兼容(EMC): 简要介绍EMI/EMC的基本概念,以及信号完整性设计如何与EMI/EMC设计相互关联,共同确保电子系统的整体性能。 关键信号完整性指标: 眼图(Eye Diagram): 讲解眼图的构成,如何通过眼高、眼宽、抖动(Jitter)等参数来量化信号质量,以及如何根据眼图判断信号是否满足设计要求。 抖动(Jitter): 详细分类和分析不同类型的抖动,包括随机抖动(RJ)、确定性抖动(DJ)、周期性抖动(PJ)、数据依赖抖动(DDJ)等,以及它们对信号传输的影响。 损耗(Loss): 区分插入损耗(Insertion Loss)和回波损耗(Return Loss),分析它们对信号幅度和形状的影响,以及在不同频段下的表现。 串扰(Crosstalk): 进一步细化串扰对目标信号的影响,如近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT),以及它们可能导致的过冲、振铃和数据错误。 第二部分:ANSYS SI仿真平台详解 本部分将聚焦ANSYS仿真工具,详细介绍其在信号完整性分析中的强大功能和操作流程。我们将重点讲解: ANSYS SI仿真工具概述: ANSYS SI工具链介绍: 简要介绍ANSYS信号完整性分析相关的核心工具,如ANSYS SIwave、ANSYS HFSS以及与其他工具(如ANSYS PCB)的协同工作流程。 仿真流程概览: 介绍一个典型的ANSYS SI仿真项目的工作流程,从模型创建、设置、求解到后处理和结果分析。 建模与几何创建: 导入PCB几何: 讲解如何从CAD工具导入PCB布局文件,以及ANSYS SIwave如何自动解析层叠结构、铜箔走线、过孔等关键元素。 创建虚拟模型: 在无法获得完整PCB数据时,如何手动创建简化的仿真模型,包括传输线、连接器、连接器引脚等。 材料属性设置: 详细介绍如何定义 PCB 叠层材料的介电常数、损耗切线、导体材料的电导率、表面粗糙度等关键参数,并解释这些参数对仿真结果的影响。 关键仿真设置与配置: 激励源设置: 如何定义信号源的波形(上升/下降时间、幅度、频率等),以及如何模拟实际的驱动器模型。 端口设置: 讲解在传输线上创建端口,以及不同端口类型(如S参数端口、电压/电流端口)的应用。 网格剖分(Meshing): 介绍ANSYS SIwave的自动网格生成技术,以及如何根据仿真需求进行网格优化,以平衡精度和计算效率。 分析类型选择: 讲解不同分析类型,如S参数分析、瞬态分析、频域分析等,并说明它们各自适用于何种场景。 求解器设置: 介绍ANSYS SIwave的求解器选项,以及如何根据模型复杂度选择合适的求解器。 电源分配网络(PDN)分析: PDN建模: 如何在ANSYS SIwave中构建复杂的PDN模型,包括去耦电容、电源层、地层、Vias、VRM等。 PDN阻抗分析: 讲解如何计算PDN的阻抗曲线,并分析其在不同频率下的表现。 DC压降(IR Drop)分析: 介绍如何进行DC压降分析,以识别潜在的供电不足区域。 AC压降(AC Voltage Drop)分析: 分析高频噪声在PDN上的传播,以及如何评估其对信号完整性的影响。 传输线参数提取: 特性阻抗计算: 如何通过仿真精确提取单根信号线的特性阻抗。 损耗参数提取: 计算插入损耗和回波损耗,并分析其随频率的变化。 串扰参数提取: 提取近端和远端串扰系数,用于评估信号线之间的耦合强度。 传播延迟计算: 提取信号在传输线上的传播延迟,用于时序分析。 时域与频域仿真: S参数分析: 讲解如何通过S参数分析来评估信号的传输质量,包括回波损耗、插入损耗以及多端口之间的耦合。 瞬态仿真(Time Domain Simulation): 介绍如何直接观察信号在时域上的波形,如眼图、抖动等,并进行直接的信号质量评估。 频域响应分析: 分析信号在不同频率下的幅度和相位响应,以便理解信号在不同频段的损耗特性。 第三部分:ANSYS信号完整性仿真实例 本部分将通过一系列真实世界的案例,展示ANSYS SI工具在解决实际工程问题中的应用。每个案例都将遵循“问题提出-模型建立-仿真设置-结果分析-优化改进”的完整流程。 案例一:高速差分信号完整性分析 问题描述: 分析PCIe、USB等高速差分信号在PCB上的传输质量,包括差分阻抗、模式转换、共模抑制比(CMRR)等。 模型建立: 导入实际PCB数据,建立包含差分对走线、连接器、PCB叠层等完整模型。 仿真设置: 设置差分信号激励,定义端口,进行S参数分析和瞬态分析。 结果分析: 评估差分眼图,分析差分阻抗是否匹配,识别模式转换问题,计算CMRR。 优化改进: 根据仿真结果,调整差分对间距、叠层参数、过孔结构等,以改善信号质量。 案例二:PCB回流焊与信号完整性影响 问题描述: 分析回流焊过程中,PCB温度变化对铜箔表面粗糙度、介电材料性能的影响,进而影响信号完整性。 模型建立: 结合热仿真结果,将温度变化映射到材料属性,建立考虑回流焊影响的SI模型。 仿真设置: 进行不同温度下的S参数分析和瞬态分析。 结果分析: 对比不同温度下的损耗、串扰、眼图等指标,评估其影响程度。 优化改进: 调整PCB材料选择、回流焊工艺参数,以减小温度对信号质量的影响。 案例三:连接器与线缆互连的信号完整性分析 问题描述: 分析高速信号通过连接器和外部线缆传输时的损耗、反射和串扰问题。 模型建立: 导入连接器3D模型,建立线缆模型,并将其与PCB模型进行连接。 仿真设置: 设置激励源,进行S参数分析和瞬态分析。 结果分析: 评估连接器和线缆的插入损耗、回波损耗,分析信号在连接点处的反射和失真。 优化改进: 选择低损耗连接器,优化线缆规格,调整接口匹配电路。 案例四:电源分配网络(PDN)的优化设计 问题描述: 分析复杂多层PCB的PDN阻抗,识别高频噪声放大区域,并进行优化。 模型建立: 导入完整的PDN结构,包括电源层、地层、去耦电容、VRM模型等。 仿真设置: 进行PDN阻抗扫描,并结合瞬态仿真分析电源噪声。 结果分析: 识别PDN阻抗的峰值和谷值,分析不同频率下的噪声耦合,评估DC/AC压降。 优化改进: 调整去耦电容的选型和布局,优化电源和地层的分割,增加电源滤波。 案例五:信号完整性与EMI/EMC的关联分析 问题描述: 分析信号完整性问题可能导致的EMI辐射,以及如何在SI设计中考虑EMI减缓措施。 模型建立: 在SI仿真模型中,考虑信号线上的不连续点、过孔、走线拐角等可能产生EMI的结构。 仿真设置: 进行EMI辐射仿真,分析不同频段的辐射强度。 结果分析: 识别主要的EMI辐射源,分析SI参数与EMI辐射之间的关系。 优化改进: 采用差分走线、增加滤波、优化地层屏蔽、包地处理等措施,同时改善SI和EMI性能。 第四部分:信号完整性设计实践与注意事项 本部分将总结信号完整性分析的实践经验,为读者提供切实可行的设计指导和注意事项。 PCB设计规则中的SI考量: 走线间距与长度匹配: 详细阐述差分对、多比特总线等走线规则,如何控制其长度差和间距,以减小串扰和时序问题。 阻抗控制: 讲解如何实现精确的传输线阻抗控制,包括PCB叠层设计、线宽线距计算、回流焊效应等。 过孔设计: 分析过孔对信号完整性的影响,包括寄生电感、串扰等,并提供优化设计建议。 电源与地层设计: 强调良好PDN设计的重要性,包括电源层和地层的完整性、去耦电容的布局和选型。 SI仿真流程的规范化: 模型创建的准确性: 强调输入数据的准确性和完整性,包括PCB叠层、材料属性、连接器模型等。 仿真设置的合理性: 如何根据具体需求选择合适的激励源、端口、网格剖分和分析类型。 结果分析的深度: 如何正确解读仿真结果,识别关键问题,并与设计目标进行对比。 迭代优化与验证: 强调SI仿真是一个迭代的过程,通过反复仿真和优化来达到设计要求,并最终通过实际测试进行验证。 高级SI分析主题(简要介绍): 眼图闭合的根本原因分析 多比特总线(如DDR、SerDes)的串扰与时序协同分析 封装内部(Package Trace)的SI分析 光互连(Optical Interconnect)中的SI问题 AI在SI仿真中的应用前景 总结 本书力求通过理论讲解与实践案例的紧密结合,为广大工程师和研究人员提供一本全面、实用的ANSYS信号完整性分析指南。通过掌握本书内容,读者将能够更加自信地应对高速数字信号设计中的挑战,打造高性能、高可靠性的电子产品。