1、高性能PCB的SI/PI和EMI/EMC仿真设计 目录 1 现代PCB设计面临的挑战.1 2 SI/PI的基本概念，SI/PI与EMI的关系.1 2.1 传输线.1 2.2 特性阻抗.1 2.3 反射系数和信号反射.2 2.4 截止频率.3 2.5 S参数.3 2.6 电源完整性的定义.4 2.7 同步开关噪声.5 2.8 PDS的阻抗以及目标阻抗的定义.5 2.9 去耦电容.6 2.10 SI/PI与EMI的关系7 3 PCB前仿真熟悉软件界面和基本操作8 3.1 PCB数据的导入和检查8 3.2 预布局阶段的设计与仿真.133.2.1 层叠设计.13 3.2.2 平面分割.14 3.2.3
2、 添加去耦电容.14 3.2.4 仿真之前的参数设置.15 3.2.5 谐振分析.16 4 布线后仿真.184.1 PI仿真：18 4.1.1 谐振模式分析，退耦电容的作用.184.1.2 阻抗分析，阻抗和谐振的关系.20 4.1.3 传导干扰分析和电压噪声测量，及其与谐振的关系.224.1.4 SSN仿真（建议初学者跳过本节）.25 4.2 DC Voltage (DCIR) drop仿真334.3 SI仿真38 4.3.1 信号线参数抽取.38 4.3.2 TDR.41 4.3.3 信号完整性与串扰仿真.42 4.3.4 差分信号参数提取和眼图仿真.494.4 PCB的EMI设计与控制.5
3、2 4.4.1 PCB远场辐射分析52 4.4.2 频变源加入（建议初学者跳过本节）.57 5 与机箱机柜的协同设计.59SIwave FAQ61 1 现代PCB设计面临的挑战 我们通过设计PCB，把各种芯片整合在一起，来实现某种特定功能，这就是PCB设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB主要的作用是系统功能的承载体。 从电性能的角度来看，PCB主要有三个部分的电性能特点，首先是实现信号的传输，也就是通过PCB把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然PCB是信号传输的通道，PCB设计的好坏显然会影响信号传输的性能；PCB的另外一个功能是实现电源的分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过PC
4、B从电源模块上取得的；PCB设计的最后一个功能是控制EMI/EMC，也就是将PCB对外界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当一个PCB系统在工作时，系统各部分需要稳定的供电，信号需要在各部分的互连中正确传输，变化的信号和电源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射。一个高性能的PCB设计面临着SI/PI/EMI三个方面的问题，随着系统复杂度的提高，信号速度的提升，电源电压幅度的降低，SI/PI/EMI面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI的基本概念，SI/PI与EMI的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性，信号完整性研究是一个数字设计和模拟理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设
5、计中，怎样使电互联的性能达到最大，而同时保证成本最低。关注SI时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线 传输线就是一种能够在纵向传播电磁场信号的联接。当器件物理尺寸或者电气连接的尺寸同信号的波长可以比拟时，就需要传输线理论来分析。例如，一个台灯的电源线长2米，其电源的工作频率是50Hz，波长就是6000公里。这根电源线相对于波长来讲是非常短的，我们可以把它看成短路。而对于一个便携式产品如手提电脑、PDA等PCB板设计，假如工作频率在100MHz，就必须考虑传输线效应。 2.2 特性阻抗 特性阻抗是指信号沿传输线传播的过程中，传输线上看到的瞬间阻抗值，这里要注意是高性能PCB的SI/PI和E
6、MI/EMC仿真设计流程 1 现代PCB设计面临的挑战 我们通过设计PCB，把各种芯片整合在一起，来实现某种特定功能，这就是PCB设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB主要的作用是系统功能的承载体。 从电性能的角度来看，PCB主要有三个部分的电性能特点，首先是实现信号的传输，也就是通过PCB把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然PCB是信号传输的通道，PCB设计的好坏显然会影响信号传输的性能；的另外一个功能是实现电源的分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得的；PCB设计的最后一个功能是控制EMI/EMC，也就是将PCB对外界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当
7、一个PCB系统在工作时，系统各部分需要稳定的供电，信号需要在各部分的互连中正确传输，变化的信号和电源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射。一个高性能的PCB设计面临着SI/PI/EMI三个方面的问题，随着系统复杂度的提高，信号速度的提升，电源电压幅度的降低，SI/PI/EMI面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI的基本概念，SI/PI与EMI的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性，信号完整性研究是一个数字设计和模拟理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设计中，怎样使电互联的性能达到最大，而同时保证成本最低。关注SI时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线 传输线就是一种能够在
8、纵向传播电磁场信号的联接。当器件物理尺寸或者电气连接的尺寸同信号的波长可以比拟时，就需要传输线理论来分析。例如，一个台灯的电源线长2米，其电源的工作频率是50Hz，波长就是6000公里。这根电源线相对于波长来讲是非常短的，我们可以把它看成短路。而对于一个便携式产品如手提电脑、PDA等PCB板设计，假如工作频率在100MHz，就必须考虑传输线效应。 1是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗： 这个阻抗是传输线本身的物理结构决定的，一般会设计成50欧姆，这是在微波的发展过程中逐渐形成的。射频电缆特性阻抗在70多欧姆左右时,传输损耗最小；在30多欧姆时,承受功率最大。两者综合，选择50欧姆，同时照顾到两种性
9、能，所以就选择了50欧姆作为一个标准。如果外接的阻抗同特征阻抗不一致，就会产生反射。 2.3 反射系数和信号反射 当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续的节点时，信号会发生反射，就像水流通过不同口径的管道接口时，水面产生波动一样。根据反射电压和入射电压的比值，可以定义传输线上的反射系数。 当负载阻抗大于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 po
10、ur manager中进行Plane connect和Hatch的操作，如下图所示： 2.2 特性阻抗 特性阻抗是指信号沿传输线传播的过程中，传输线上看到的瞬间阻抗值，这里要注意是是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗： 这个阻抗是传输线本身的物理结构决定的，一般会设计成50欧姆，这是在微波的发展过程中逐渐形成的。射频电缆特性阻抗在70多欧姆左右时,传输损耗最小；在30多欧姆时,承受功率最大。两者综合，选择50欧姆，同时照顾到两种性能，所以就选择了50欧姆作为一个标准。如果外接的阻抗同特征阻抗不一致，就会产生反射。 2.3 反射系数和信号反射 当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续的节点时，信号会发生
11、反射，就像水流通过不同口径的管道接口时，水面产生波动一样。根据反射电压和入射电压的比值，可以定义传输线上的反射系数。 当负载阻抗大于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 option-Split/Mixed Plane设置中，对Save to PCB file一栏选择All plane data选项。如下图所示： 设置好此项后，在菜单中运行File-Export，选择*.asc文件的路径和名称后，弹出以下对话框： 高性能PCB的SI/PI和EMI/EMC仿真设计流程 1 现代PCB设计面临的挑战 我们通过设计PCB，把各种芯片整合在一起，来实现
12、某种特定功能，这就是PCB设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB主要的作用是系统功能的承载体。 从电性能的角度来看，PCB主要有三个部分的电性能特点，首先是实现信号的传输，也就是通过PCB把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然PCB是信号传输的通道，PCB设计的好坏显然会影响信号传输的性能；PCB的另外一个功能是实现电源的分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得的；PCB设计的最后一个功能是控制EMI/EMC，也就是将PCB对外界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当一个PCB系统在工作时，系统各部分需要稳定的供电，信号需要在各部分的互连中正确传输，变化的信号和电
13、源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射。一个高性能的PCB设计面临着SI/PI/EMI三个方面的问题，随着系统复杂度的提高，信号速度的提升，电源电压幅度的降低，SI/PI/EMI面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI的基本概念，SI/PI与EMI的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性，信号完整性研究是一个数字设计和模拟理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设计中，怎样使电互联的性能达到最大，而同时保证成本最低。关注SI时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线 传输线就是一种能够在纵向传播电磁场信号的联接。当器件物理尺寸或者电气连接的尺寸同信号的波长可以比拟时，就需要传输线理论
14、来分析。例如，一个台灯的电源线长2米，其电源的工作频率是50Hz，波长就是6000公里。这根电源线相对于波长来讲是非常短的，我们可以把它看成短路。而对于一个便携式产品如手提电脑、PDA等PCB板设计，假如工作频率在100MHz，就必须考虑传输线效应。 19选择Select All选中右边所有框选项。由于目前的Ansoft SIwave 3.5.2版本只支持到PADS2005版本，所以对于PADS2007以上版本，在Format一栏要选择PADS Layout V2005.2以下的输出格式。在Units一栏选择Current,然后点击OK，输出*.asc文件。 在SIwave中，点击菜单File
15、-Import-Mentor PADS Design， 选择好*.asc文件后，在自动跳出的对话框中为即将生成的*.anf文件设定名称和路径，然后进行导入，导入完成后，点击菜单Edit-Validation Check，进行检查： 2.2 特性阻抗 特性阻抗是指信号沿传输线传播的过程中，传输线上看到的瞬间阻抗值，这里要注意是是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗： 这个阻抗是传输线本身的物理结构决定的，一般会设计成50欧姆，这是在微波的发展过程中逐渐形成的。射频电缆特性阻抗在70多欧姆左右时,传输损耗最小；在30多欧姆时,承受功率最大。两者综合，选择50欧姆，同时照顾到两种性能，所以就选择了50欧姆作
16、为一个标准。如果外接的阻抗同特征阻抗不一致，就会产生反射。 2.3 反射系数和信号反射 当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续的节点时，信号会发生反射，就像水流通过不同口径的管道接口时，水面产生波动一样。根据反射电压和入射电压的比值，可以定义传输线上的反射系数。 当负载阻抗大于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 Save As，将文件保存为*.siw格式，完成整个导入过程。 对于Allegro设计的PCB文件，Ansoft提供了更加方便的接口：在已经安装过Allegro的计算机上，直接安装Ansoftlinks接口模块，系统会在Allegro
17、菜单中嵌入Ansoft工具栏： 直接点击Launch SIwave，系统将自动运行SIwave，并将Allegro中当前的设计导入到SIwave中生成*.siw文件。 PCB导入SIwave后，应当为板上的电容赋予模型，以描述非理想电容的ESL和ESR等参数带来的寄生效应。 SIwave工具中提供了丰富的电容库，包括Murata，AVX，TDK等主流的电容厂商所提供的电容模型。 打开文件siwave_board.siw，在菜单Edit -Component Database对话框中，可以将库中的模型映射到板上的电容，如下图： 高性能PCB的SI/PI和EMI/EMC仿真设计流程 1 现代PCB
18、设计面临的挑战 我们通过设计PCB，把各种芯片整合在一起，来实现某种特定功能，这就是PCB设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB主要的作用是系统功能的承载体。 从电性能的角度来看，PCB主要有三个部分的电性能特点，首先是实现信号的传输，也就是通过PCB把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然PCB是信号传输的通道，PCB设计的好坏显然会影响信号传输的性能；PCB的另外一个功能是实现电源的分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得的；PCB设计的最后一个功能是控制EMI/EMC，也就是将PCB对外界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当一个PCB系统在工作时，系统各部分
19、需要稳定的供电，信号需要在各部分的互连中正确传输，变化的信号和电源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射。一个高性能的PCB设计面临着SI/PI/EMI三个方面的问题，随着系统复杂度的提高，信号速度的提升，电源电压幅度的降低，SI/PI/EMI面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI的基本概念，SI/PI与EMI的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性，信号完整性研究是一个数字设计和模拟理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设计中，怎样使电互联的性能达到最大，而同时保证成本最低。关注SI时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线 传输线就是一种能够在纵向传播电磁场信号的联接。当器件物
20、理尺寸或者电气连接的尺寸同信号的波长可以比拟时，就需要传输线理论来分析。例如，一个台灯的电源线长2米，其电源的工作频率是50Hz，波长就是6000公里。这根电源线相对于波长来讲是非常短的，我们可以把它看成短路。而对于一个便携式产品如手提电脑、PDA等PCB板设计，假如工作频率在100MHz，就必须考虑传输线效应。 111如果库中提供的电容不能满足需要，用户也可以通过import的方式，导入自己的电容模型（S参数模型），然后再与设计中的电容进行映射。 对于一些仅有ESL和ESR参数值的电容，也可以通过如下方式来定义： 在菜单中打开View-Windows-Circuit Elements/Lay
21、ers/Nets Window，然后在Circuit Elements一栏中在选中的电容类型上点击右键，选择Edit Component Properties，即可在弹出的对话框中输入ESL和ESR的值： 2.2 特性阻抗 特性阻抗是指信号沿传输线传播的过程中，传输线上看到的瞬间阻抗值，这里要注意是是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗： 这个阻抗是传输线本身的物理结构决定的，一般会设计成50欧姆，这是在微波的发展过程中逐渐形成的。射频电缆特性阻抗在70多欧姆左右时,传输损耗最小；在30多欧姆时,承受功率最大。两者综合，选择50欧姆，同时照顾到两种性能，所以就选择了50欧姆作为一个标准。如果外接的阻抗
22、同特征阻抗不一致，就会产生反射。 2.3 反射系数和信号反射 当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续的节点时，信号会发生反射，就像水流通过不同口径的管道接口时，水面产生波动一样。根据反射电压和入射电压的比值，可以定义传输线上的反射系数。 当负载阻抗大于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 Layer Stack在如下对话框中可以添加、删除和编辑每一层的厚度，材料等信息，将四层的名称依次修改为TOP，GND，VCC和BOTTOM，然后点击OK退出： 高性能PCB的SI/PI和EMI/EMC仿真设计流程 1 现代PCB设计面临的挑战 我们通过设计P
23、CB，把各种芯片整合在一起，来实现某种特定功能，这就是PCB设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB主要的作用是系统功能的承载体。 从电性能的角度来看，PCB主要有三个部分的电性能特点，首先是实现信号的传输，也就是通过PCB把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然PCB是信号传输的通道，PCB设计的好坏显然会影响信号传输的性能；PCB的另外一个功能是实现电源的分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得的；PCB设计的最后一个功能是控制EMI/EMC，也就是将PCB对外界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当一个PCB系统在工作时，系统各部分需要稳定的供电，信号需要在各部
24、分的互连中正确传输，变化的信号和电源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射。一个高性能的PCB设计面临着SI/PI/EMI三个方面的问题，随着系统复杂度的提高，信号速度的提升，电源电压幅度的降低，SI/PI/EMI面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI的基本概念，SI/PI与EMI的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性，信号完整性研究是一个数字设计和模拟理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设计中，怎样使电互联的性能达到最大，而同时保证成本最低。关注SI时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线 传输线就是一种能够在纵向传播电磁场信号的联接。当器件物理尺寸或者电气连接的尺寸同信号
25、的波长可以比拟时，就需要传输线理论来分析。例如，一个台灯的电源线长2米，其电源的工作频率是50Hz，波长就是6000公里。这根电源线相对于波长来讲是非常短的，我们可以把它看成短路。而对于一个便携式产品如手提电脑、PDA等PCB板设计，假如工作频率在100MHz，就必须考虑传输线效应。1133.2.2 平面分割 SIwave中可以对平面的分割进行修改，在菜单Draw下面有灵活的图形和模式供选择，利用Draw的功能，在GND和VCC层定义两个120mmX100mm的矩形平面： 3.2.3 添加去耦电容 去耦电容的放置贯穿于PCB设计的整个过程。在SIwave中可以直接在自带的电容库选择电容，向PC
26、B板放置： 也可以通过菜单Circuit Elements-Capacitor来放置电容，生成新的电容模型，并当场进行赋值（包括寄生参数）。 在预布局设计阶段进行谐振模式分析，可以考察当前的叠层结构、平面分割和初步去耦设计是否合理。 2.2 特性阻抗 特性阻抗是指信号沿传输线传播的过程中，传输线上看到的瞬间阻抗值，这里要注意是是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗： 这个阻抗是传输线本身的物理结构决定的，一般会设计成50欧姆，这是在微波的发展过程中逐渐形成的。射频电缆特性阻抗在70多欧姆左右时,传输损耗最小；在30多欧姆时,承受功率最大。两者综合，选择50欧姆，同时照顾到两种性能，所以就选择了50欧姆
27、作为一个标准。如果外接的阻抗同特征阻抗不一致，就会产生反射。 2.3 反射系数和信号反射 当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续的节点时，信号会发生反射，就像水流通过不同口径的管道接口时，水面产生波动一样。根据反射电压和入射电压的比值，可以定义传输线上的反射系数。 当负载阻抗大于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 Options，看到如下设置窗口： 其中Plane Void Meshing设置栏中，选择第一项表示由系统自行决定哪些地方需要进行网格剖分，而选择第二项可以由用户自行定义，当面积小于某个上限时，不需要进行剖分。对于一般用户，选择第一
28、项由系统自行决定即可。 Trace Coupling设置栏中，可以定义耦合时考察的线间距离和最小的平行走线长度，此处系统默认值为0.2mm和3mm。再下方的窗口中应当显示的是该系统中的电源和地网络（如有），这里设置的是：对于信号线网络，系统总是会自动考虑其线间耦合，而当系统中的电源和地网络有某些trace也需要考虑耦合效应时，需要将这个电源或地网络选中。 在Solver设置栏中，首先是一个多CPU的选项，当用户使用的是多CPU的计算机，并且安装了Ansoft的多CPU处理模块时，此处可以选择在此次仿真时所要使用的CPU个数。 Mesh Refinement设置的是仿真考察的频率上限，一般设为自
29、动，由系统根据后面每项仿真所设置的扫频范围来自行决定，对于某些特殊应用也可以由用户自定义。 Boundary Condition To Use设置的是边界条件，其中Open boundary模拟PCB的电源和地平面的边沿为理想开路条件，即全反射情况；Radiation boundary模拟PCB的电源和地平面的边沿为有损耗的辐射边界。 右边Select Additional Nets to Included in Simulation一栏的作用是：SIwave会自动的考察那些添加了source, probe或port的网络，如果一些网络上没有source, probe或port，但是也需要考察
30、电磁波在这些网络中的传输，就在下面的列表中选中这些网络。 最后一栏Select Layers to Exclude from Simulation是选择某些layer，在仿真时忽略其影响。 熟悉Options设置后，点击OK退出，进入下一步谐振分析。 高性能PCB的SI/PI和EMI/EMC仿真设计流程 1 现代PCB设计面临的挑战 我们通过设计PCB，把各种芯片整合在一起，来实现某种特定功能，这就是PCB设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB主要的作用是系统功能的承载体。 从电性能的角度来看，PCB主要有三个部分的电性能特点，首先是实现信号的传输，也就是通过PCB把信号从一个芯片传输到
31、另外一个芯片，显然PCB是信号传输的通道，PCB设计的好坏显然会影响信号传输的性能；PCB的另外一个功能是实现电源的分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得的；PCB设计的最后一个功能是控制EMI/EMC，也就是将PCB对外界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当一个PCB系统在工作时，系统各部分需要稳定的供电，信号需要在各部分的互连中正确传输，变化的信号和电源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射。一个高性能的PCB设计面临着SI/PI/EMI三个方面的问题，随着系统复杂度的提高，信号速度的提升，电源电压幅度的降低，SI/PI/EMI面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI的
32、基本概念，SI/PI与EMI的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性，信号完整性研究是一个数字设计和模拟理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设计中，怎样使电互联的性能达到最大，而同时保证成本最低。关注SI时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线 传输线就是一种能够在纵向传播电磁场信号的联接。当器件物理尺寸或者电气连接的尺寸同信号的波长可以比拟时，就需要传输线理论来分析。例如，一个台灯的电源线长2米，其电源的工作频率是50Hz，波长就是6000公里。这根电源线相对于波长来讲是非常短的，我们可以把它看成短路。而对于一个便携式产品如手提电脑、PDA等PCB板设计，假如工作频率在1
33、00MHz，就必须考虑传输线效应。 1153.2.5 谐振分析 点击菜单Simulation-Compute Resonant Modes，出现如下对话框： 第一栏的Minimum Frequency中，系统根据PCB的结构，推荐了可能出现谐振的最低频率，用户也可以根据实际需要对该频率进行修改。 第二栏的Maximum Frequency和 #（number）of Modes to Compute由用户自行定义。当系统计算到定义的最高频率或者谐振模数目时，则完成本次计算，出现如下窗口： 选择相邻两平面层VCC和GND，点击Compute，计算出这两个平面层之间的谐振模式以及每种模式对应的谐振分
34、布情况： 2.2 特性阻抗 特性阻抗是指信号沿传输线传播的过程中，传输线上看到的瞬间阻抗值，这里要注意是是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗： 这个阻抗是传输线本身的物理结构决定的，一般会设计成50欧姆，这是在微波的发展过程中逐渐形成的。射频电缆特性阻抗在70多欧姆左右时,传输损耗最小；在30多欧姆时,承受功率最大。两者综合，选择50欧姆，同时照顾到两种性能，所以就选择了50欧姆作为一个标准。如果外接的阻抗同特征阻抗不一致，就会产生反射。 2.3 反射系数和信号反射 当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续的节点时，信号会发生反射，就像水流通过不同口径的管道接口时，水面产生波动一样。根据反射电压和入射
35、电压的比值，可以定义传输线上的反射系数。 当负载阻抗大于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 Compute Resonant Modes Minimum Frequency采用系统推荐的2.55238E+008 Maximum Frequency填入：2e9 # of Modes to Compute填入: 5 点击 OK 计算出5个谐振模式后，选择L2和L7两平面层计算出每个模式对应的谐振分布情况： 在第4种谐振模式中，可以看到右上角的电压摆幅较大，下面通过添加去耦电容来改
36、变这一区域的谐振效应，选择谐振频率与PCB上谐振频率相近的电容，放置在谐振幅度最大的位置处，可以取得最佳的去耦效果。 按照3.2节介绍的放置去耦电容的两种方法，分别放置两个电容： 在器件列表中选择CAPACITOR_CDR02，点击右键Place Component，然后将电容的正极放在坐标（x:8200; y:5400）,负极放在坐标（x:8400; y:5400）；在接下来的Select Layers for capacitor terminals窗口中，选择电容的正极在L7层，负极在L2层；在Set Capacitor Parameters窗口中直接点击OK，这样就放置了一个电容C65。
37、 直接在菜单中点击Circuit Elements-Capacitors来放置另一个电容，将电容的正极放在坐标（x:8200; y:5300），负极放在坐标（x:8400; y:5300）；正极在L7层，负极在L2层；然后在Set Capacitor Parameters窗口中输入如下内容后点击OK： 高性能PCB的SI/PI和EMI/EMC仿真设计流程 1 现代PCB设计面临的挑战 我们通过设计PCB，把各种芯片整合在一起，来实现某种特定功能，这就是PCB设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB主要的作用是系统功能的承载体。 从电性能的角度来看，PCB主要有三个部分的电性能特点，首先是实
38、现信号的传输，也就是通过PCB把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然PCB是信号传输的通道，PCB设计的好坏显然会影响信号传输的性能；PCB的另外一个功能是实现电源的分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得的；PCB设计的最后一个功能是控制EMI/EMC，也就是将PCB对外界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当一个PCB系统在工作时，系统各部分需要稳定的供电，信号需要在各部分的互连中正确传输，变化的信号和电源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射。一个高性能的PCB设计面临着SI/PI/EMI三个方面的问题，随着系统复杂度的提高，信号速度的提升，电源电压幅度的降低，SI/
39、PI/EMI面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI的基本概念，SI/PI与EMI的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性，信号完整性研究是一个数字设计和模拟理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设计中，怎样使电互联的性能达到最大，而同时保证成本最低。关注SI时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线 传输线就是一种能够在纵向传播电磁场信号的联接。当器件物理尺寸或者电气连接的尺寸同信号的波长可以比拟时，就需要传输线理论来分析。例如，一个台灯的电源线长2米，其电源的工作频率是50Hz，波长就是6000公里。这根电源线相对于波长来讲是非常短的，我们可以把它看成短路。而对于一个便携式产
40、品如手提电脑、PDA等PCB板设计，假如工作频率在100MHz，就必须考虑传输线效应。 119放置好电容C65和C66后，重新运行谐振模式分析，仍然采用先前的设置，然后观察在第4种模式下的谐振分布： 可以看到，放置了去耦电容后，右上角的电压摆幅已经变得很小。 4.1.2 阻抗分析，阻抗和谐振的关系 在坐标（x:4350; y:4575）附近找到器件U3，下面观察U3的电源PIN脚上看到的供电网络阻抗。点击菜单Circuit Elements-Port，然后分别点击U13的VCC PIN和GND PIN，定义一个Port，命名为VCC_U13： 点击菜单Simulation-Compute S-
41、,Y-,Z-parameters，设置如下： 2.2 特性阻抗 特性阻抗是指信号沿传输线传播的过程中，传输线上看到的瞬间阻抗值，这里要注意是是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗： 这个阻抗是传输线本身的物理结构决定的，一般会设计成50欧姆，这是在微波的发展过程中逐渐形成的。射频电缆特性阻抗在70多欧姆左右时,传输损耗最小；在30多欧姆时,承受功率最大。两者综合，选择50欧姆，同时照顾到两种性能，所以就选择了50欧姆作为一个标准。如果外接的阻抗同特征阻抗不一致，就会产生反射。 2.3 反射系数和信号反射 当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续的节点时，信号会发生反射，就像水流通过不同口径的管道接口时，
42、水面产生波动一样。根据反射电压和入射电压的比值，可以定义传输线上的反射系数。 当负载阻抗大于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 Results-Create Report，在弹出的Create Report 窗口中选择默认设置，直接点击OK，然后在Trace窗口中设置如下： 得到所需的阻抗曲线如下： 高性能PCB的SI/PI和EMI/EMC仿真设计流程 1 现代PCB设计面临的挑战 我们通过设计PCB，把各种芯片整合在一起，来实现某种特定功能，这就是PCB设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB主要的作用是系统功能的承载体。 从电性能的角
43、度来看，PCB主要有三个部分的电性能特点，首先是实现信号的传输，也就是通过PCB把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然PCB是信号传输的通道，PCB设计的好坏显然会影响信号传输的性能；PCB的另外一个功能是实现电源的分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得的；PCB设计的最后一个功能是控制EMI/EMC，也就是将PCB对外界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当一个PCB系统在工作时，系统各部分需要稳定的供电，信号需要在各部分的互连中正确传输，变化的信号和电源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射。一个高性能的PCB设计面临着SI/PI/EMI三个方面的问题，随着系统复杂度
44、的提高，信号速度的提升，电源电压幅度的降低，SI/PI/EMI面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI的基本概念，SI/PI与EMI的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性，信号完整性研究是一个数字设计和模拟理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设计中，怎样使电互联的性能达到最大，而同时保证成本最低。关注SI时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线 传输线就是一种能够在纵向传播电磁场信号的联接。当器件物理尺寸或者电气连接的尺寸同信号的波长可以比拟时，就需要传输线理论来分析。例如，一个台灯的电源线长2米，其电源的工作频率是50Hz，波长就是6000公里。这根电源线相对于波长来讲是
45、非常短的，我们可以把它看成短路。而对于一个便携式产品如手提电脑、PDA等PCB板设计，假如工作频率在100MHz，就必须考虑传输线效应。 121可以看到图中各尖峰点对应的频率和阻抗值。为了比较阻抗与谐振的关系，回到SIwave中重新进行谐振仿真，并设置仿真上限频率为2G，不限制计算模式数，得到谐振频率点如下： 可以看到，阻抗曲线中的尖峰频率点，总是包含在谐振仿真所计算出的谐振频率点中。 4.1.3 传导干扰分析和电压噪声测量，及其与谐振的关系 谐振模式计算分析的是PCB的固有结构引起的可能发生的风险。而传导干扰分析提供了某个信号网络上添加激励后，在PCB板上激发的电场分布情况。 2.2 特性阻
46、抗 特性阻抗是指信号沿传输线传播的过程中，传输线上看到的瞬间阻抗值，这里要注意是是瞬时，也就是瞬态情况下的阻抗： 这个阻抗是传输线本身的物理结构决定的，一般会设计成50欧姆，这是在微波的发展过程中逐渐形成的。射频电缆特性阻抗在70多欧姆左右时,传输损耗最小；在30多欧姆时,承受功率最大。两者综合，选择50欧姆，同时照顾到两种性能，所以就选择了50欧姆作为一个标准。如果外接的阻抗同特征阻抗不一致，就会产生反射。 2.3 反射系数和信号反射 当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续的节点时，信号会发生反射，就像水流通过不同口径的管道接口时，水面产生波动一样。根据反射电压和入射电压的比值，可以定义传输
47、线上的反射系数。 当负载阻抗大于输入阻抗，反射系数 0, 反射信号与入射信号同向叠加；当负载阻抗小于输入阻抗，反射系数 Voltage Source放置电压源，将源的正极放在坐标（x:1150；y:3775），负极放在坐标（x:1150；y:3775）；在选择层面窗口中选择源的正极在SURFACE层的P_TLM_ERR网络上，负极在L2层的GND网络上；在接下来的Set Voltage Source Properties窗口中做如下设置定义好电压源的属性： 点击菜单Circuit Elements-Voltage Probe放置电压探针，将探针的正极放在坐标（x:4325；y:2235），负极
48、放在坐标（x:4325；y:2235）；正极放在Surface层的P_TLM_ERR网络，负极放在L2层的GND网络，并定义名称为VPROBE1 点击菜单Simulation-Compute Frequency Sweep进行传导干扰分析，在Frequency Sweep Solution Options窗口中设置如下： 高性能PCB的SI/PI和EMI/EMC仿真设计流程 1 现代PCB设计面临的挑战 我们通过设计PCB，把各种芯片整合在一起，来实现某种特定功能，这就是PCB设计的主要任务。所以，从某种意义上讲，PCB主要的作用是系统功能的承载体。 从电性能的角度来看，PCB主要有三个部分的
49、电性能特点，首先是实现信号的传输，也就是通过PCB把信号从一个芯片传输到另外一个芯片，显然PCB是信号传输的通道，PCB设计的好坏显然会影响信号传输的性能；PCB的另外一个功能是实现电源的分配，因为所有芯片的电源供给都需要通过PCB从电源模块上取得的；PCB设计的最后一个功能是控制EMI/EMC，也就是将PCB对外界的电磁能量干扰控制在可接受的范围内。 当一个PCB系统在工作时，系统各部分需要稳定的供电，信号需要在各部分的互连中正确传输，变化的信号和电源引起电场和磁场的变化，形成电磁辐射。一个高性能的PCB设计面临着SI/PI/EMI三个方面的问题，随着系统复杂度的提高，信号速度的提升，电源电压幅度的降低，SI/PI/EMI面临着越来越多的挑战。 2 SI/PI的基本概念，SI/PI与EMI的关系 信号完整性关注的是高速数字信号的模拟特性，信号完整性研究是一个数字设计和模拟理论相结合的领域，信号完整性设计是在高速系统设计中，怎样使电互联的性能达到最大，而同时保证成本最低。关注SI时，通常要涉及以下几个概念： 2.1 传输线 传输线就是一种能够在纵向传播电磁场信号的联接。当器件物理尺寸或者电气连接的尺寸同信号的波长可以比拟时，就需要传输线理论来分析。例如，一个台灯的电源线长
