基于Protel 99的PCB信號(hào)完整性分析

從信號(hào)完整性分析設(shè)計(jì)規(guī)則、完整性分析仿真器、波形分析器等三個(gè)方面說(shuō)明了如何利用Protel 99的信號(hào)完整性分析功能進(jìn)行印刷電路板的設(shè)計(jì)。

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(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜、越來(lái)越精密。基于這種迫切需求，電路CAD設(shè)計(jì)技術(shù)也充分利用了計(jì)算機(jī)革命所帶來(lái)的成果，使得設(shè)計(jì)手段發(fā)生了翻天覆地的變化，其中的Protel 99電子設(shè)計(jì)軟件就是一款功能強(qiáng)大、界面友好、操作簡(jiǎn)便實(shí)用的快速、高效的電路CAD設(shè)計(jì)軟件。為了保證設(shè)計(jì)的電路能可靠工作，需要對(duì)電路進(jìn)行準(zhǔn)確地時(shí)序分析、波形分析、信號(hào)完整性分析、電磁噪聲分析等，以避免設(shè)計(jì)的盲目性，降低設(shè)計(jì)成本。這里著重介紹如何利用Protel 99軟件對(duì)所設(shè)計(jì)之PCB 進(jìn)行預(yù)先的信號(hào)分析，使得設(shè)計(jì)的電路更加切實(shí)可行。

信號(hào)完整性的有關(guān)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(shè)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(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指電磁通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把信號(hào)從一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上;輻射干擾是指干擾源（電磁）通過(guò)空間把其信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上。在PCB設(shè)計(jì)中，需要考慮的主要是輻射干擾，因?yàn)?a target="_blank">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(hào)完整性

信號(hào)完整性是指信號(hào)在信號(hào)線上的傳輸質(zhì)量，是信號(hào)在電路中能以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力。在實(shí)際的電路工作時(shí)，由于多種因素往往會(huì)造成信號(hào)傳輸質(zhì)量下降，對(duì)設(shè)備正常工作造成影響。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮在需要的時(shí)候，信號(hào)能達(dá)到所必需的電壓電平數(shù)值，即信號(hào)具有良好的信號(hào)完整性。

串?dāng)_

串?dāng)_是指兩條信號(hào)線之間的信號(hào)發(fā)生耦合，即信號(hào)線之間的互感和互容會(huì)引起信號(hào)線上的噪聲。PCB板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性及線端接方式等都會(huì)對(duì)串?dāng)_有一定的影響。

反射

反射是指在信號(hào)傳輸線上產(chǎn)生的回波。如果源端與負(fù)載端阻抗不匹配，當(dāng)信號(hào)功率傳輸?shù)骄€上并到達(dá)負(fù)載處時(shí)，將引起線上反射，負(fù)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(guò)連接器的傳輸及電源平面不連續(xù)等因素的變化均會(huì)導(dǎo)致此類反射。

網(wǎng)路阻抗

網(wǎng)路阻抗是指信號(hào)傳輸線上輸入電壓對(duì)輸入電流的比值。當(dāng)某一個(gè)源端發(fā)送一個(gè)信號(hào)到傳輸線上時(shí)，阻抗將阻礙信號(hào)驅(qū)動(dòng)，直到2TD時(shí)，信號(hào)仍未改變，TD是傳輸線的延時(shí)。

過(guò)沖和下沖

過(guò)沖是指信號(hào)個(gè)峰值或谷值超過(guò)設(shè)置電壓，其中對(duì)于上升沿是指電壓，對(duì)于下降沿是指電壓。下沖是指下一個(gè)谷值或峰值。過(guò)沖嚴(yán)重時(shí)由于保護(hù)二極管工作，會(huì)導(dǎo)致其過(guò)早地失效;下沖嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（誤操作） 。

信號(hào)完整性分析工具的特點(diǎn)

Protel 99軟件中包含有一個(gè)信號(hào)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?dāng)_仿真模型，它根據(jù)經(jīng)過(guò)工業(yè)驗(yàn)證的算法產(chǎn)生的仿真，并具有以下特點(diǎn)：

①在設(shè)計(jì)規(guī)則中必須對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)約束（如阻抗、過(guò)沖、下沖等）進(jìn)行定義；

②設(shè)計(jì)人員無(wú)須特殊經(jīng)驗(yàn)即可在PCB 編輯器中直接進(jìn)行電路的信號(hào)完整性分析；

③采用設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC） ，可以迅速定位不符合設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)規(guī)則中設(shè)定的約束內(nèi)容）的網(wǎng)絡(luò)；

④使用I/O緩沖器宏模型，不需要了解有關(guān)SP ICE語(yǔ)言和模擬仿真的知識(shí)。另外，采用宏模型逼近，可更快、更準(zhǔn)確地進(jìn)行仿真，并依據(jù)元件編號(hào)進(jìn)行模型的自動(dòng)匹配連接，支持IB IS2工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)子集；

⑤信號(hào)完整性仿真的波形結(jié)果，可在圖上以示波器的形式進(jìn)行顯示，直觀、方便；

⑥利用電阻和電容的參數(shù)值對(duì)不同的分析終止策略進(jìn)行假設(shè)分析；

⑦仿真器內(nèi)含成熟的傳輸導(dǎo)線特性計(jì)算和并發(fā)式仿真算法；

⑧提供了快速的反射分析和串?dāng)_分析。

信號(hào)完整性分析

設(shè)置信號(hào)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(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)則對(duì)話框，單擊其中的【Signal Integrity】標(biāo)簽，可切換到信號(hào)完整性規(guī)則設(shè)置項(xiàng)對(duì)話框，如圖1所示。

圖1　信號(hào)完整性分析規(guī)則設(shè)置對(duì)話框

在圖1設(shè)置對(duì)話框的左邊Rule Classes列表框中含有14個(gè)約束設(shè)置項(xiàng)，每個(gè)約束項(xiàng)的約束范圍基本上只有3 種：“Whole Board ”、“Net”和“NetClass”。每當(dāng)選中左邊列表框中某一個(gè)設(shè)置項(xiàng)時(shí)，在列表框右邊就會(huì)出現(xiàn)該設(shè)置項(xiàng)的相關(guān)說(shuō)明，如何進(jìn)行具體地設(shè)置，這里就不一一敘述了。

信號(hào)完整性分析仿真器

信號(hào)完整性分析工具內(nèi)嵌在PCB編輯器中，提供一個(gè)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(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性仿真器窗口，如圖2所示。下面簡(jiǎn)單介紹該仿真器幾個(gè)關(guān)鍵的菜單命令。

圖2　信號(hào)完整性仿真器的工作窗口

【GetNets】　該命令在【File】菜單下，用于將當(dāng)前正在設(shè)計(jì)的電路板（處于打開(kāi)的激活狀態(tài)）進(jìn)行信息連接，從電路板的數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出所有的網(wǎng)絡(luò)名稱，并將它們?cè)诜抡嫫髦鞔翱谥械摹続ll 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(dāng)前正在設(shè)計(jì)的電路板相連，從該電路板的數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出與【All Nets】列表欄下選中網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的布局?jǐn)?shù)據(jù)，才能進(jìn)行信號(hào)完整性仿真。

【Termination Advisor】　該命令在【Simulation】菜單下。用于定義網(wǎng)絡(luò)仿真的終止方式，僅對(duì)反射或串?dāng)_分析有效，對(duì)“Screening”分析無(wú)效。終止方式有：【None】（無(wú)終止方式）、【Serial R】（串?dāng)_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(guān)于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的緩沖器的選定輸出作為驅(qū)動(dòng)，并考慮所有已設(shè)置的有效終止方式，來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的信號(hào)反射仿真。仿真結(jié)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(guān)于“Agressor Net”的緩沖器的選定輸出作為驅(qū)動(dòng)，并考慮所有已設(shè)置的有效終止方式，來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的信號(hào)反射仿真。仿真結(jié)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?dāng)_仿真的結(jié)果，并可以直接對(duì)波形進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。波形分析器是通過(guò)執(zhí)行【Simulation 】菜單下的【Reflection】/【Crosstalk】命令來(lái)啟動(dòng)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(jìn)行波形分析的網(wǎng)絡(luò)名稱以及屬于該網(wǎng)絡(luò)的元件引腳名稱。在這里，使用鼠標(biāo)左鍵單擊某個(gè)元件引腳名稱或其下方的小短線（對(duì)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(hào)波形，在圖中將以高亮狀態(tài)顯示;再次單擊，將取消信號(hào)波形的選中。只有選中了某個(gè)引腳上的信號(hào)波形，才可以對(duì)它進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)在波形分析器示圖區(qū)的右邊空白處顯示一系列相關(guān)的測(cè)量值。圖4是對(duì)圖3中的一個(gè)信號(hào)波形進(jìn)行FFT變換以及特征參數(shù)計(jì)算的結(jié)果。

圖4　FFT變換以及特征參數(shù)計(jì)算的結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

總之，在用Protel 99電子設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)電路時(shí)，只有充分利用好信號(hào)完整性分析功能，分析印刷電路板的設(shè)計(jì)和檢查設(shè)計(jì)參數(shù)，并測(cè)試電路的特性參數(shù)，這樣才能在電路板投入實(shí)際應(yīng)用之前，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的信號(hào)完整性問(wèn)題，避免設(shè)計(jì)的盲目性，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)的可靠性。