高速系統信號完整性設計工具的選擇策略

     高速數據經過長PCB導線傳輸時很容易受到介質損耗的影響而發生畸變，靠傳統的設計規則很難解決GHz頻段面臨的許多SI/EMI設計問題。本文介紹了通過SpecctraQuest工具給出電路板的分層設計規則和損耗預測的方法，以及用Hspice工具驗證器件模型，并對去耦電容的選擇和布局進行電源和地平面分析，用Maxwell 2D和3D場求解工具獲得特殊布線/元件結構的精確幾何參數。


     隨著通信系統中高速板設計復雜性的日益提高，依賴某一種特定的CAD工具已經無法在可接受的精度范圍內完成整個設計仿真。PCB設計工程師和信號完整性(SI)設計工程師需要采用各種仿真工具。除了價格、性能、速度和精度始終是選擇工具集的主要準則之外，如何使用來自多家EDA工具軟件供應商的CAD工具來實現設計目標、SI和電磁干擾(EMI)設計規則，也是中國設計工程師關注的重要問題。一般而言，優良的設計和SI/EMI分析工具的組合應該包括：版圖設計工具、板級仿真器、精確的場求解工具以及詳細的仿真引擎。


     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計工具；由于具備與Allegro相同的數據庫，SpecctraQuest被用做板級仿真的主要工具，避免了數據轉換的問題；Hspice是實現更精確分析的工具；Spicelink和HFSS提供2D和3D場解決方案，對各種互連幾何形狀進行分析(通孔、連接器等)，特別是需要高頻分析的時候。


      為了有效地利用現有的CAD工具，要在恰當的設計階段選用相應的工具。本文以卡和主板之間傳輸率為2.5Gbps到12.5Gbps的高速通信系統為案例，介紹如何正確使用多種仿真工具來解決速度達到Gbps的PCB設計問題。


用SpecctraQuest建立設計規則


      Allegro是版圖設計工具，SpecctraQuest是板級仿真工具，兩者組合的優勢在于共享相同的龐大數據庫，采用相同的仿真引擎和類似的圖形用戶界面。由于Allegro和SpecctraQuest進一步集成，設計工程師就能夠在設計階段同時進行版圖設計和仿真。要使設計的卡和背板能傳輸2.5Gbps、邊沿速率為100ps-200ps的串行數據信號，必須掌握在該頻段的SI問題并加以有效地管理。需要了解的主要SI問題包括：趨膚效應、介質損耗、耦合以及驅動器預加重等。SpecctraQuest工具可以仿真和解決下列問題：


a．采用SignalExplorer工具進行預布局分析并提取重要節點。隨著電路板的日益復雜化，預布局分析和設計規則設置越來越重要。采用SpecctraQuest電路圖提取工具，SignalExplorer能夠根據電路參數變化進行預布局分析，并能夠將重要的網絡節點提取到電路瀏覽器當中，從而對布線和版圖后期設計進行檢查。與許多其它的電路級仿真工具一樣，SpecctraQuest的缺點之一是缺乏詳細的建模能力，換言之，IBIS模型是唯一可以采用的器件模型。因此，在SignalExplorer中進行分析之前，必須可靠地評估行為模型。


     采用SignalExplorer可以解決下列問題：評估電路板分層的幾何尺寸、估計趨膚效應和介質引起的損耗、給出高速數據/時鐘容許的線長的設計規則、給出控制耦合的線間距、給出終端類型和數值以及所有差分對的最大失配長度。經驗表明，從上述仿真獲得的設計規則能為工程布局和布線提供有價值的指南，從而極大地縮短設計周期并降低設計風險。


b．損耗和補償


     趨膚效應和介質損耗通常被認為是千兆數據傳輸板設計面臨的主要問題。趨膚效應決定線的寬度，介質損耗決定于構成PCB的材料。要解決這兩個基本問題，板級仿真器必須具備處理具有頻率獨立參數的有損傳輸線的能力，SpecctraQuest就滿足這個要求。仿真和測量結果表明，在GHz頻段介質損耗占主要地位。


     在通信系統中，高速數據要經過長的導線傳輸，因而很容易受到介質損耗的影響而發生畸變?？朔@種損耗影響的一個方法是采用均衡器和預加重器。均衡方法有幾種可供選擇，本文只討論采用無源元件的均衡電路。而因為大多數器件都內建了均衡電路，IBIS類模型很難對其補償。


     通過把無源元件從器件中分離出來放到電路板上，我們可以對均衡效應進行仿真。利用SpecctraQuest分析修改后的網表，可以獲得均衡器應用的通用指南。


     當介質的影響不大時，均衡器不應該發生作用。均衡器的作用是補償長互連線上的高頻成分損失。預加重可能會導致較短互連線的眼圖變壞。隨著互連線的增長，FR4板材的介質損耗會越來越大。信號的高頻成分(對應于陡峭的上升/下降沿)會消失，低頻成分則被保留下來。為了有效地使用預加重功能，必須首先估算信號傳輸路徑上互連線的長度，然后決定是否采取補償措施。對所有傳輸高速率的互連線都采取預加重處理并不是最優化的。


     表1比較了2.5Gbps信號通過不同長度的差分互連線時，預加重器處于開/關兩種狀態下眼圖窗口和抖動的差異。


c. GHz頻段的耦合


     在數據率低于Gbps的時候，耦合一直是PCB設計中影響噪聲指標的主要因素。由于耦合信號的頻率成分比入侵信號的頻率成分更高，所以其損耗比原始的Gbps信號受到的損耗要大，自然對噪聲指標的影響就降低了。


     大多數版圖設計工具根據由布線幾何形狀和材料決定的耦合系數來估算耦合的影響，這就導出了限制平行距離的線性估計公式，它降低了布線密度。事實上，在長的布線上耦合會達到飽和狀態。在估算過程中忽略飽和效應會導出比需要量更密的布線設計規則。為此，要采用SpecctraQuest進行全面的仿真以決定設計中的耦合規則。


     對于2.5Gbps數據，上升時間的典型值是150ps，飽和長度大約是300mil，這就是說，實際耦合線可以長于300mil而不增加耦合預算值。表2顯示了2.5Gbps速率、擺幅500mv、上升時間為110ps的信號的耦合飽和參數和損耗。耦合在大約300-400mil處達到飽和，因為損耗使其幅度在長布線上出現較大衰減。根據這一規律，設計工程師可以更有效地布線，而這一點比許多版圖設計工具給出的設計規則更有效。


用Maxwell 2D/3D設計復雜布線結構


    對于傳輸速率在10G到12.5Gpbs的較高速率，FR-4板材會產生很大的損耗，要采用其它損耗特性更佳的板材。如圖1所示為一種共面結構的電路板，它被用于在電路板頂層傳輸10Gbps到12.5Gbps的數據，所用的板材為RO4350。該板材的介質損耗很低，但是只能在頂層/底層布線，因而傳輸10GHz信號要用表層線。采用共面結構信號的質量比較好，EMI比較低。要采用3D 場求解工具計算線寬和間隔以確保50歐姆的線阻抗，使之與驅動電路輸出阻抗匹配?？梢圆捎肕axwell 3D場求解工具。


連接器的建模


      信號以Gbps數據率傳輸時，通孔、連接器和相關的線頭會引起信號完整性問題，連接器和通孔效應的精確建模和仿真對于預測信號質量非常重要。


      Maxwell 3D場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子電路進行板級仿真。一般來說，即使成功設計出來Gbps速率的卡，要設計傳輸速率達到5-10Gbps的背板仍然會面臨諸多挑戰。Maxwell場求解工具有助于為實現這樣的數據率創建連接器模型。


采用Hspice進行詳細分析


a. 采用Hspice進行電源層分析


      在GHz頻段，電源的傳遞面臨新的挑戰，要采用精密建模技術和分析工具來獲得真實的(電源)平面響應。Hspice是一個能夠實現精密掃頻分析的工具，并具有基于晶體管的IC模型以便對感興趣的并發開關噪聲(SSN)進行仿真。


      對于向高頻差分元件傳遞電源的電源層，可以采用傳輸線網孔模型來評估高頻時電源/地平面的行為。例如，要分析PCB中一對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。一般的做法是根據某個主要的差分元件的參數指標，每一個差分電源/接地平面對的目標阻抗預算為272m?，傳輸線網孔模型用來確定電源?地平面的頻域響應。對于1Gbps以上速率，建議要分別考慮有損和無損情況以確定在模型中加入介質損耗的影響。


     該模型用于進行Hspice仿真，得到的諧振頻率為1.2GHz，仿真結果表明：通過在電源/接地平面考慮介質損耗問題，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以達到目標阻抗的要求。由于多數高速串行數據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電流。因此，實際上目標阻抗可以更高一些，通過減少不必要的PCB層數，還可以避免超指標要求進行設計。


b. 采用Hspice評估元件并進行高頻分析


      盡管IBIS模型廣泛用于板級仿真，在新元件評估中，基于晶體管驅動器/接收器模型的分析仍然至關重要。隨著IC制造商越來越多地以Hspice加密形式提供基于晶體管的模型，Hspice逐漸成為元件評估的唯一工具。這樣的仿真應該包括加載/卸載封裝效應、以及器件不同類型和長度的驅動傳輸線。為此，需要制造商合作提供正確的模型并根據實際元件的情況修改模型。確定了元件之后，就可以根據最終Hspice模型和功能指標創建和驗證IBIS模型。在更高的信號速率，例如10-12.5Gbps，行為模型不再有效，對于工作在該頻段的器件，試圖創建IBIS模型是沒有意義的。


仿真工具集成流程

     根據上述研究和SI設計指南，我們成功地設計了收發速率達到12.5Gbps的電路板，該板向40Gbps器件傳送2.5Gbps速率的數據。前面已經詳細討論了怎樣利用CAD工具解決不同的設計問題，然而，設計工程師通常忽視的一個問題是：在高速設計過程中，面對眾多的EDA工具何時選用何種工具？因此，設計過程中，應該按照下列標準的流程來集成仿真工具：


采用Hspice和SpecctraQuest開發SI模型；

采用Maxwell和SpecctraQuest開發電路板的分層策略、各層參數和布線模型；

采用Hspice進行去耦電容電源平面分析；

采用SpecctraQuest進行底層規劃、版圖指標確定、預布線分析和布線后驗證。


為了高效地執行這個流程，硬件設計工程師和設計管理人員必須掌握SI和EMI的基礎知識。


發展趨勢

    目前，在EDA工具領域，除了針對特殊產品的專用信號完整性設計工具之外，采用集成手段以滿足高速PCB設計行業對EDA工具的迫切需求已經成為提升設計行業技術水平的一個重要發展趨勢，這表現在以下幾個方面：


     高速設計的疆界已經由過去的通信產品擴展到移動電話、數碼影像之類的消費電子產品。EDA工具供應商逐步認識到，他們所提供的工具解決方案必須速度更快，必須能夠解決更復雜的設計問題，必須高度集成以解決PCB設計行業面臨的全方位挑戰，從而縮短復雜高速電路板設計的周期。


     隨著高速器件、連接器、集成電路應用的日益增多，對集成多種建模語言的PCB信號完整性設計工具存在很大需求。Mentor Graphics公司的ICX 3.0就是一種可選的方案，它在單一仿真環境下支持SPICE、IBIS和VHDL-AMS的PCB信號完整性工具，從而避免因模型種類不同、采用多種不同來源的EDA工具集帶來的開發周期被拖延的問題。


     隨著越來越多的高速PCB采用復雜封裝的IC，由于PCB和IC中包含有多重、任意形狀的電源/接地層、任意數量的過孔和信號線段，噪音、電源/接地層的反彈、共振、反射，以及導線線段與電源/接地層間的耦合問題將更加嚴重，PCB設計不可避免地要考慮IC的封裝因素，如何生成PCB和IC的頻域和時域模型，以便進行系統級仿真也是業界面臨的一個重要課題。在EDA工具內部集成的全波分析引擎，通過對板級電磁場的特征分析來完成板級模型的量化和處理。