信号完整性仿真分析方法

信号完整性已成为目前从事高速电路设计的人们关注的焦点。本书通过大量的仿真实验，帮助读者深入理解信号完整性分析的基本概念和研究方法。

作者通过分析教学中积累的大量案例，使学生首先产生直观的印象，对“信号完整性分析”产生浓厚的兴趣，然后再通过对软件的学习和掌握，直接进入信号完整性分析的前沿领域，利用这些工具进行课题研究。

本书采用软件案例分析教学，提供用软件分析的方法实现与信号完整性分析相关的案例研究，读者可以直接利用这些分析方法去从事与信号完整性分析相关的课题研究。

随着时钟频率的日益提高，信号完整性问题变得越来越突出，过去不成为信号完整性的问题现在已经变成信号完整性问题了。因此信号完整性已成为从事高速电路设计的人们关注的焦点，也是他们目前研究的热点。显然，关于信号完整性问题的研究国外要比国内先进得多，国外每年都有大量的涉及到信号完整性问题的会议，在各类期刊上都有信号完整性问题的论文发表，并且已出版了十几种关于信号完整性的教材和专著。为了跟踪追赶国外的先进水平，国内先后翻译出版了几种关于信号完整性方面的教材，在国内信号完整性研究领域起到了很大的推动作用。

我校从2005年开始为研究生开设“信号完整性分析”这门课程，至今已有五年。在“信号完整性分析”的教学和科研当中，编写者积累了一定的经验，深知只有通过大量的仿真实验，才能深入理解信号完整性分析的基本概念和研究方法，并且作者在教学中积累了大量的分析案例供学生使用。通过这些实例分析，使学生首先产生直观的印象，对“信号完整性分析”这门课程产生浓厚的兴趣，然后再通过对软件的学习和掌握，使学生可以直接进入信号完整性分析的前沿领域，利用这些工具进行课题研究。软件案例分析在教学中已经发挥了很大的辅助作用。

本书提供用软件分析的方法实现与信号完整性分析相关的案例研究，不涉及信号完整性分析的基础理论知识以及测试方法。通过本书的学习，读者可以直接利用这些分析方法去从事与信号完整性分析相关的课题研究。不论是学习信号完整性分析的研究生还是从事信号完整性分析的科技人员，本书都是一本难得的实用教材。由于本书涉及的软件较多，所以不可能把所有的软件的功能都介绍清楚，但对于从事信号完整性分析的读者来说，最主要的软件和最基本的分析过程都已经介绍了。如果想深入研究某一软件的详细功能，还需要参考相关的更专业的书籍。

本书包括9章。第1章主要介绍信号完整性仿真分析的几个关系问题，包括信号完整性研究的内容、信号完整性与其他课程的关系、电磁场类研究方向之间的关系、信号完整性与电磁兼容之间的关系、信号完整性与PCB设计之间的关系、信号完整性常用仿真分析软件等。第2章介绍二维模型的参数提取工具和方法——用Ansoft SI2D进行二维参数提取。第3章介绍三维模型的参数提取工具和方法——用Q3D进行三维参数提取。第4章介绍ADS在信号完整性分析中的应用。第5章介绍了用HyperLynx进行原理性仿真分析的方法。第6章介绍用HyperLynx进行PCB板的仿真分析方法，这一章涉及到后仿真问题，所以对从事具体PCB仿真设计的工程技术人员是很实用的内容。第7章介绍用SIwave进行电源完整性分析，在过去的设计中很少用到电源平面，最近几年才逐渐开始设计利用电源平面，所以这部分内容是比较新的。第8章介绍用SIwave和Designer进行板级信号完整性分析，内容与第6章的类似，只是分析软件不同。由于SIwave和Designer使用的都是有限元法，所以分析精度方面要比HyperLynx好。第9章介绍PCB板级辐射仿真分析方法，主要介绍如何用SIwave和HFSS进行板级的辐射分析，这章的内容在过去很少被用到，所以也是较新的内容。

本书由阎照文组织编写，参加编写和整理工作的有王刚、车明明、韩雅静、姜英杰、王涛、付路、张兰兰、于晓丰、田国亮、韩轶峰、栗伟珉、刘焱、王向晖、王冰切、翟禹、哈聪颖、康骊等，在此向他们表示感谢。

编写这样一本书的想法很早就有了，经过几年不断的资料积累和大家的共同努力，本书终于与读者见面了。在编写本书的过程中参考了大量的书籍和资料，在此向提供资料的单位和个人表示感谢，恕不能在此一一列举。虽然编写者付出了大量的艰苦工作来策划和编写本书，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。

联系地址：yanzhaowen@buaa.edu.cn。

阎照文

于北京航空航天大学

2010年10月

前言

第1章 信号完整性仿真分析方法概述 1
1.1 信号完整性研究的内容 1
1.2 信号完整性与其他课程的关系 7
1.3 电磁场类研究方向之间的关系 7
1.4 信号完整性与电磁兼容之间的关系 8
1.5 信号完整性与PCB设计之间的关系 8
1.6 信号完整性常用仿真分析软件介绍 9
1.7 本书的章节结构安排 9
第2章 用Ansoft SI2D进行二维参数提取 11
2.1 SI2D简介 11
2.1.1 什么是SI2D提取器 11
2.1.2 二维场求解器的设计环境 11
2.1.3 快速启动SI2D 12
2.2 例题 13
2.2.1 同轴线 13
2.2.2 同轴线——从三维模型导出
二维模型 21
2.2.3 差分对 30
2.2.4 过度蚀刻 42
2.2.5 键合线 49
2.2.6 串扰 56
2.2.7 平面波导 63
2.2.8 接地的平面波导 71
第3章 用Q3D进行三维参数提取 79
3.1 什么是Q3D Extractor 79
3.1.1 系统需求 79
3.1.2 启动Ansoft Q3D 80
3.1.3 把旧的Q3D文件导入
Q3D Extractor 6中 80
3.1.4 Ansoft条目 80
3.1.5 项目管理器 81
3.1.6 特性窗口 82
3.1.7 Ansoft 3D建模器 82
3.1.8 3D建模器设计树 83
3.1.9 设计窗口 83
3.1.10 工具栏 84
3.1.11 显示或隐藏单个工具栏 84
3.1.12 自定义排列工具栏 84
3.1.13 Q3D Extractor桌面 85
3.1.14 打开一个Q3D项目 86
3.2 Q3D实例分析 86
3.2.1 微带线 86
3.2.2 微小过孔 97
3.2.3 分段返回通路 109
3.2.4 球陈列封装 117
3.2.5 连接器模型 129
3.2.6 接合线 138
3.2.7 螺旋电感 145
第4章 ADS在信号完整性分析中的应用 155
4.1 ADS的基本使用 155
4.1.1 ADS主要操作窗口 155
4.1.2 ADS基本操作 157
4.2 元器件的等效电路模拟 163
4.2.1 示波器探针的等效电路模型 163
4.2.2 RLC电路的时域行为 164
4.2.3 两焊盘间键合线回路的等效
电路模型 165
4.2.4 去耦电容的等效电路模型 167
4.2.5 驱动器的等效电路模型 168
4.2.6 如何构造求阻抗的电路模型 168
4.2.7 传输线的等效电路模型 170
4.3 传输线的反射仿真 171
4.3.1 阻抗不匹配而产生的振铃 171
4.3.2 驱动源的内阻抗情况 171
4.3.3 反弹图仿真 172
4.3.4 反射波形仿真 173
4.3.5 仿真TDR测量原理 174
4.3.6 何时需要端接 175
4.3.7 源端端接 176
4.3.8 源端端接情况下的传输线增加 176
4.3.9 短串接传输线的反射 177
4.3.10 短串接传输线的反射（续） 178
4.3.11 短桩线的反射 180
4.3.12 容性终端负载的反射 181
4.3.13 连线中途的容性负载反射 182
4.3.14 容性时延累加 183
4.3.15 有载线 183
4.3.16 感性突变产生的反射 185
4.3.17 感性时延累加 186
4.3.18 补偿 187
4.4 考虑损耗时的仿真 188
4.4.1 信号的损耗 188
4.4.2 有损耗传输线的建模 188
4.4.3 传输线测试模型 189
4.5 传输线的串扰仿真 190
4.5.1 容性耦合电流 190
4.5.2 感性耦合电流 192
4.6 差分对仿真 193
4.6.1 差分对的端接 193
4.6.2 差分信号向共模信号的转化 194
4.6.3 差分对一根信号线接容性负载时
的情况 196
4.6.4 差分对端接对共模信号的影响 197
4.6.5 同时端接共模和差模 197
4.6.6 同时端接共模和差模有错位 198
第5章 用HyperLynx进行原理性仿真分析 200
5.1 HyperLynx的基本使用 200
5.1.1 建立新的单元胞格式的板图 200
5.1.2 增加传输线 201
5.1.3 增加IC 202
5.1.4 增加电阻、电感和电容 204
5.1.5 编辑电源电压 205
5.1.6 设置和运行仿真 205
5.1.7 观察仿真结果 206
5.1.8 测量时间和电压 207
5.1.9 记录仿真结果 207
5.1.10 保存新的板图 208
5.2 元器件的等效电路模拟 208
5.2.1 带宽对上升时间的影响 208
5.2.2 不同覆盖厚度时微带线周围的
电场分布 209
5.3 传输线的反射仿真 211
5.3.1 传输线如何影响驱动器的波形 211
5.3.2 用2D场求解器计算微带线中
电场的分布 214
5.3.3 反弹图 216
5.3.4 反射波形仿真 217
5.3.5 何时需要端接 219
5.3.6 源端端接 222
5.3.7 源端端接时传输线长度的影响 222
5.3.8 短串接传输线的反射 225
5.3.9 短串接传输线的反射（续） 227
5.3.10 短桩线传输线的反射 230
5.3.11 容性终端负载的反射 233
5.3.12 传输线中途的容性负载反射 236
5.3.13 容性时延累加 239
5.3.14 有载线 239
5.3.15 感性突变产生的反射 243
5.3.16 感性时延累加 245
5.3.17 补偿 245
5.4 考虑损耗时的仿真 248
5.4.1 损耗对传输线的影响 248
5.4.2 有损线的时域行为 248
5.4.3 不同长度传输线对输出信号
的影响 251
5.4.4 损耗对眼图的影响 255
5.5 传输线的串扰仿真 257
5.5.1 近端串扰 257
5.5.2 远端串扰 258
5.5.3 仿真串扰 259
5.5.4 有源串联端接的耦合线 260
5.5.5 多条耦合线攻击时的串扰 261
5.5.6 带状线的情况 263
5.5.7 防护布线 265
5.5.8 串扰和时序 269
5.6 差分对仿真 272
5.6.1 差分电路的端接 272
5.6.2 微带线和带状线的电场分布 273
5.6.3 端接差分信号 275
5.6.4 端接共模信号 280
5.6.5 差分对中的串扰 283
5.6.6 差分对中的共模噪声 285
5.6.7 差分对对差分对的噪声 287
5.6.8 返回路径中的间隙 290
5.6.9 间隙对差分对的影响 291
5.7 使用HyperLynx进行时序调整 292
5.7.1 概述 292
5.7.2 时序调整 292
5.7.3 从实际板图电路提取原理
仿真电路的方法 294
5.8 怎样使用IBIS模型 295
5.8.1 概述 295
5.8.2 V/I数据 296
5.8.3 V/T数据 298
第6章 用HyperLynx进行PCB板的仿真分析 299
6.1 用HyperLynx进行PCB后仿真的
基本过程 299
6.1.1 在BoardSim中打开PCB 299
6.1.2 在BoardSim中编辑叠层和线宽 299
6.1.3 映射器件类型的参考指示符 301
6.1.4 编辑电源网络 302
6.1.5 选择要仿真的网络 303
6.1.6 选择IC元器件模型 303
6.1.7 编辑电阻、电感、电容参数值 305
6.1.8 确定电阻和电容封装 305
6.1.9 设置和运行交互式仿真 306
6.1.10 观察仿真结果 307
6.1.11 测量时间和电压 308
6.1.12 记录仿真结果 308
6.2 观察BoardSim的特性 309
6.2.1 板图用户界面 309
6.2.2 放大和平移 310
6.2.3 改变板的方向 310
6.2.4 改变显示 310
6.2.5 突出网络显示 311
6.2.6 同时观察所有的网络 312
6.2.7 观察板图布局 312
6.2.8 观察PCB板图细节 312
6.3 Session Edits保存的信息 314
6.3.1 BoardSim怎样保存为Session Edits 314
6.3.2 .BUD文件中具有什么信息 315
6.3.3 怎样保存为Session Edits 315
6.3.4 当 Session Edits 被重新加载时 316
6.4 终端向导和快速终端 317
6.4.1 终端向导（Terminator Wizard） 317
6.4.2 快速终端（Quick Terminators） 318
6.4.3 交互式编辑R、L和C 318
6.4.4 创建一个新的改变报告 319
6.5 批处理仿真 320
6.5.1 了解批处理仿真 320
6.5.2 准备批处理仿真的板图 322
6.5.3 运行批处理仿真向导 325
6.5.4 批处理仿真报告 326
6.6 运行EMC仿真 326
6.6.1 设置频谱分析仪探针 326
6.6.2 使用频谱分析仪运行EMC仿真 329
6.7 在BoardSim中交互式仿真串扰 332
6.7.1 实现交互式板图后串扰仿真 332
6.7.2 BoardSim怎样找到串扰网络 333
6.7.3 怎样显示攻击线 333
6.7.4 设置串扰仿真的IC模型 334
6.7.5 运行仿真 334
6.7.6 怎样最大化仿真特性 336
6.7.7 改变攻击网络的数量 336
6.8 在BoardSim中运行场求解器 337
6.8.1 关于BoardSim串扰和场求解器 337
6.8.2 什么是场求解器 337
6.8.3 BoardSim串扰场求解器是
怎样工作的 338
6.8.4 打开耦合观察器 338
6.8.5 报告网络段的特性 340
6.9 多块PCB板的分析 340
6.9.1 什么是多板选项 340
6.9.2 互联模型 341
6.9.3 互联电气特性 341
6.9.4 MultiBoard Project Wizard概述 341
6.9.5 关于板图ID 342
6.9.6 映射.HYP文件到板图ID中 342
6.9.7 关于互连关系映射的说明 343
6.9.8 插入新的.HYP文件 344
6.9.9 删除连接的.HYP文件 344
6.9.10 插入新的互联映射 344
6.9.11 编辑MultiBoard Project Wizard
的提示框 344
6.9.12 创建或编辑一个多板的项目文件 345
6.9.13 编辑多板工程 350
6.9.14 打开多板项目文件 352
第7章 用SIwave进行电源完整性分析 353
7.1 板图设计 353
7.2 封装板的阻抗分析 371
7.3 封装板的S参数 381
7.4 同步开关噪声（SSN） 396
7.5 系统级封装器件 411
第8章 用SIwave和Designer进行板级信号
完整性分析 415
8.1 T型板分析 415
8.1.1 模型描述 415
8.1.2 设置设计环境 416
8.1.3 创建模型 419
8.1.4 求解方案 424
8.1.5 仿真结果分析 428
8.2 分析封装上的差分对 430
8.2.1 定义全局材料属性 430
8.2.2 打开工程 430
8.2.3 叠层设置 431
8.2.4 主窗口中的叠层观察 431
8.2.5 导体设置 431
8.2.6 走线设置 432
8.2.7 求解设置 433
8.2.8 观察谐振模式 434
8.2.9 源的定义 434
8.2.10 终端的定义 435
8.2.11 编辑电路元件属性 435
8.2.12 设置频率扫描 436
8.2.13 求解 436
8.2.14 共模模式设置 437
8.2.15 频率扫描设置 437
8.2.16 端口设置 438
8.2.17 设置SPICE求解 439
8.2.18 SPICE差分对 441
8.2.19 电路结构 442
8.2.20 求解电路（差模模式） 444
8.2.21 后处理电路 445
8.2.22 共模模式 445
8.2.23 共模模式仿真结果 446
8.3 传输时延 447
8.3.1 绘制金属层 447
8.3.2 绘制走线 454
8.3.3 添加过孔 455
8.3.4 添加去耦电容 459
8.3.5 SIwave、Designer结合仿真 459
第9章 PCB板级辐射仿真分析方法 469
9.1 在SIwave中建立激励源 469
9.2 在HFSS中进行远场求解 471
参考文献 482

1. 虚拟仿真企业综合运营实训教程 [曾苑 邓文博]
2. CLO 3D服装虚拟仿真设计与应用基础 [主编　王静]
3. 信号与系统（第二版） [主编 张宇]
4. 多智能体系统建模、仿真及应用 [赵春晓　魏楚元　著]
5. RFID射频识别技术应用教程 [主编　王伟旗　王浩]
6. RFID技术与应用实训教程 [主编 刘和文 李雪 谢忠敏]
7. 1000MW超临界机组仿真培训教程 [主编 马培峰]
8. MSC Adams 多体动力学仿真基础与实例解析（第二版） [汤涤军 张跃 编著]
9. 信号与系统 [张宇]
10. 电路与电子技术实验及Multisim仿真 [胡淑均 周天庆 戴哲转 夏秋华]
11. 信号与系统实训与实践 [主编 武晓明 武华]
12. 信号处理与系统分析（第二版） [高政 刘亚东 宫二玲 曹聚亮 ]
13. 基于Simplorer场路耦合多物理域联合仿真 [赵鲁 编著]
14. ANSYS信号完整性分析与仿真实例 [房丽丽 编著]
15. 信号与系统（第二版） [主编 周涛]
16. DSP原理及应用（第二版） [主编 李利]
17. MSC Adams多体动力学仿真基础与实例解 [陈志伟 董月亮 编著]
18. 信号与系统 [周涛]
19. 群体行为建模与计算机可视化仿真 [庞明勇 高向敏 刘楠 著]
20. 铸造工艺仿真ProCAST从入门到精通 [李日 主编 ]
21. 信号与线性系统分析（第四版）同步辅导及习题全解 [主编 刘东星 孟祥曦]
22. 信号与系统（第二版•下册）同步辅导及习题全解 [主编 苏志平 赵洪岩]
23. 信号处理与系统分析 [高政 编著]
24. 信号与系统（第二版上册）同步辅导及习题全解 [苏志平 赵洪岩]
25. 计算机控制与仿真技术 [杨立 主编]
26. 计算机控制与仿真技术（第二版） [杨立 主编]