基于Protel 99的PCB信號完整性分析

摘　要：從信號完整性分析設計規(guī)則、完整性分析仿真器、波形分析器等三個方面說明了如何利用Protel 99的信號完整性分析功能進行印刷電路板的設計。

關鍵詞：信號完整性；電磁干擾；波形分析器

引言

隨著各種大規(guī)模、高密度新型電子元器件的不斷涌現(xiàn)，電子電路的設計越來越復雜、越來越精密?；谶@種迫切需求，電路CAD設計技術也充分利用了計算機革命所帶來的成果，使得設計手段發(fā)生了翻天覆地的變化，其中的Protel 99電子設計軟件就是一款功能強大、界面友好、操作簡便實用的快速、高效的電路CAD設計軟件。為了保證設計的電路能可靠工作，需要對電路進行準確地時序分析、波形分析、信號完整性分析、電磁噪聲分析等，以避免設計的盲目性，降低設計成本。這里著重介紹如何利用Protel 99軟件對所設計之PCB 進行預先的信號分析，使得設計的電路更加切實可行。

信號完整性的有關概念

電磁干擾
電磁干擾是指電子產(chǎn)品向外發(fā)出噪聲，引起設備、裝置或系統(tǒng)工作性能降低的電磁變化現(xiàn)象，主要分為傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指電磁通過導電介質(zhì)把信號從一個電網(wǎng)絡上耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡上;輻射干擾是指干擾源(電磁)通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡上。在PCB設計中，需要考慮的主要是輻射干擾，因為集成電路的引腳、各類接插件等都具有天線的特性，能發(fā)射電磁波并影響本系統(tǒng)或其他電系統(tǒng)的正常工作。

信號完整性
信號完整性是指信號在信號線上的傳輸質(zhì)量，是信號在電路中能以正確的時序和電壓作出響應的能力。在實際的電路工作時，由于多種因素往往會造成信號傳輸質(zhì)量下降，對設備正常工作造成影響。因此在電路設計時，必須考慮在需要的時候，信號能達到所必需的電壓電平數(shù)值，即信號具有良好的信號完整性。

串擾
串擾是指兩條信號線之間的信號發(fā)生耦合，即信號線之間的互感和互容會引起信號線上的噪聲。PCB板層的參數(shù)、信號線間距、驅動端和接收端的電氣特性及線端接方式等都會對串擾有一定的影響。

反射
反射是指在信號傳輸線上產(chǎn)生的回波。如果源端與負載端阻抗不匹配，當信號功率傳輸?shù)骄€上并到達負載處時，將引起線上反射，負載將一部分電壓反射回源端。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過連接器的傳輸及電源平面不連續(xù)等因素的變化均會導致此類反射。

網(wǎng)路阻抗
網(wǎng)路阻抗是指信號傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比值。當某一個源端發(fā)送一個信號到傳輸線上時，阻抗將阻礙信號驅動，直到2TD時，信號仍未改變，TD是傳輸線的延時。

過沖和下沖
過沖是指信號第一個峰值或谷值超過設置電壓，其中對于上升沿是指最高電壓，對于下降沿是指最低電壓。下沖是指下一個谷值或峰值。過沖嚴重時由于保護二極管工作，會導致其過早地失效;下沖嚴重時會引起假的時鐘或數(shù)據(jù)錯誤(誤操作) 。

信號完整性分析工具的特點

Protel 99軟件中包含有一個高級信號完整性仿真器，它使用經(jīng)典的傳輸線理論和I/O緩沖器模型信息作為仿真輸入?；诳焖俜瓷浜痛當_仿真模型，它根據(jù)經(jīng)過工業(yè)驗證的算法產(chǎn)生精確的仿真，并具有以下特點：
①在設計規(guī)則中必須對設計參數(shù)約束(如阻抗、過沖、下沖等)進行定義；
②設計人員無須特殊經(jīng)驗即可在PCB 編輯器中直接進行電路的信號完整性分析；
③采用設計規(guī)則檢查(DRC) ，可以迅速定位不符合設計要求(設計規(guī)則中設定的約束內(nèi)容)的網(wǎng)絡；
④使用I/O緩沖器宏模型，不需要了解有關SP ICE語言和模擬仿真的知識。另外，采用宏模型逼近，可更快、更準確地進行仿真，并依據(jù)元件編號進行模型的自動匹配連接，支持IB IS2工業(yè)標準子集；
⑤信號完整性仿真的波形結果，可在圖上以示波器的形式進行顯示，直觀、方便；
⑥利用電阻和電容的參數(shù)值對不同的分析終止策略進行假設分析；
⑦仿真器內(nèi)含成熟的傳輸導線特性計算和并發(fā)式仿真算法；
⑧提供了快速的反射分析和串擾分析。

信號完整性分析

設置信號完整性分析規(guī)則
在PCB編輯主界面中執(zhí)行菜單命令【Design】/【Rules. . . 】，會出現(xiàn)設計規(guī)則對話框，單擊其中的【Signal Integrity】標簽，可切換到信號完整性規(guī)則設置項對話框，如圖1所示。

圖1　信號完整性分析規(guī)則設置對話框

在圖1設置對話框的左邊Rule Classes列表框中含有14個約束設置項，每個約束項的約束范圍基本上只有3 種：“Whole Board ”、“Net”和“NetClass”。每當選中左邊列表框中某一個設置項時，在列表框右邊就會出現(xiàn)該設置項的相關說明，如何進行具體地設置，這里就不一一敘述了。

信號完整性分析仿真器

信號完整性分析工具內(nèi)嵌在PCB編輯器中，提供一個便于使用的交互式仿真環(huán)境。在PCB編輯主界面中執(zhí)行菜單命令【Tools】/【Signal Integrity. . . 】，會出現(xiàn)信號完整性仿真器窗口，如圖2所示。下面簡單介紹該仿真器幾個關鍵的菜單命令。

圖2　信號完整性仿真器的工作窗口

【GetNets】　該命令在【File】菜單下，用于將當前正在設計的電路板(處于打開的激活狀態(tài))進行信息連接，從電路板的數(shù)據(jù)庫中提取出所有的網(wǎng)絡名稱，并將它們在仿真器主窗口中的【All Nets】列表欄中列出。

【Take Over】　該命令在【Edit】菜單下。執(zhí)行本命令，仿真器將與當前正在設計的電路板相連，從該電路板的數(shù)據(jù)庫中提取出與【All Nets】列表欄下選中網(wǎng)絡相關的布局數(shù)據(jù)，才能進行信號完整性仿真。

【Termination Advisor】　該命令在【Simulation】菜單下。用于定義網(wǎng)絡仿真的終止方式，僅對反射或串擾分析有效，對“Screening”分析無效。終止方式有:【None】(無終止方式)、【Serial R】(串擾方式)、【Parallel R to VCC】(電源VCC端并聯(lián)電阻方式)、【Parallel R to GND】(地端并聯(lián)電阻方式)、【ParallelR’s to VCC and GND】(電源端和地端并聯(lián)電阻方式)、【Parallel C to GND】(地端并聯(lián)電容方式)、【Rand C to GND】(地端并聯(lián)電阻和電容方式)、【ParallelSchottky Diodes】(并聯(lián)肖特基二極管方式)

【Reflection】　該命令在【Simulation】菜單下。執(zhí)行該命令后，仿真器將使用在【Simulation】單的下方列表欄中關于每個網(wǎng)絡的緩沖器的選定輸出作為驅動，并考慮所有已設置的有效終止方式，來進行詳細的信號反射仿真。仿真結果以圖形方式顯示在波形分析器中。

【Crosstalk】　該命令在【Simulation】菜單下。執(zhí)行該命令后，仿真器將使用在【Simulation】菜單的下方列表欄中關于“Agressor Net”的緩沖器的選定輸出作為驅動，并考慮所有已設置的有效終止方式，來進行詳細的信號反射仿真。仿真結果以圖形方式顯示在波形分析器中。

波形分析器
使用波形分析器可以方便地顯示出反射仿真和串擾仿真的結果，并可以直接對波形進行測量計算。波形分析器是通過執(zhí)行【Simulation 】菜單下的【Reflection】/【Crosstalk】命令來啟動的。波形分析器工作窗口如圖3所示。

圖3　波形分析器工作窗口

在波形分析器示圖區(qū)的右邊，列出了正在進行波形分析的網(wǎng)絡名稱以及屬于該網(wǎng)絡的元件引腳名稱。在這里，使用鼠標左鍵單擊某個元件引腳名稱或其下方的小短線(對不同的引腳以不同的顏色顯示，以作區(qū)分) ，就可以選中該引腳上的信號波形，在圖中將以高亮狀態(tài)顯示;再次單擊，將取消信號波形的選中。只有選中了某個引腳上的信號波形，才可以對它進行分析計算，同時在波形分析器示圖區(qū)的最右邊空白處顯示一系列相關的測量值。圖4是對圖3中的一個信號波形進行FFT變換以及特征參數(shù)計算的結果。

圖4　FFT變換以及特征參數(shù)計算的結果

結束語

總之，在用Protel 99電子設計軟件開發(fā)電路時，只有充分利用好信號完整性分析功能，分析印刷電路板的設計和檢查設計參數(shù)，并測試電路的特性參數(shù)，這樣才能在電路板投入實際應用之前，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的信號完整性問題，避免設計的盲目性，縮短開發(fā)周期，提高設計的可靠性。

參考文獻:

[1].PCB datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCB+_1201640.html.