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基于信号完整性的PCB仿真设计与分析研究

作　者: 孟垂建
导　师: 孙希威
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 信号完整性电磁兼容 SIwave 谐振
分类号: TN41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

伴随着电子科学技术的发展，新一代的电子产品朝着高速高密度的趋势发展。在高密度的PCB板中信号的完整性变的尤其的重要，信号的完整性更是成为了现在电子产品电路系统质量优劣的一个重要的标准。影响信号完整性的问题主要有反射、串扰、传输延时、开关噪声（SSN）等，这些影响信号完整性的问题成为高速电路设计首要解决的一个问题。在传统电路设计中，一般只关心信号的质量问题，加上仿真分析软件的局限性，往往局限在信号线上进行SI仿真研究，而把电源和地当成理想的也就是一个完整的参考平面来进行仿真计算的。在速度不高的情况下这样简化分析的误差可能不是很大，但在高速设计中，这种严重脱离了PCB的实际情况的简化分析，会使仿真出来的数据与实际相差甚远。系统电磁兼容仿真是一个系统的工程，是对系统的各类电磁兼容问题进行合理而有效的仿真，以使得系统满足使用要求。电磁兼容仿真能够在设计阶段即对存在的和潜在的电磁干扰问题进行控制，避免系统研制后期为电磁兼容问题付出极高的代价。通过仿真预测的方法指导产品开发阶段电磁兼容性的设计，避免走入传统测试修改法的怪圈，有利于缩短开发周期，降低成本并赢得市场先机。本文基于高频效应、传输线理论、电源/地平面噪声，对PCB谐振、串扰、同步开关噪声、差分信号串扰等信号完整性问题进行研究。首先在传输线理论的基础上，对PCB设计中的谐振、串扰、同步开关噪声等产生的机理进行分析研究，建立电源分配系统模型和TDR模型进行PCB设计前仿真，从而探索出PCB设计中电源分配和过孔跨层布线的方法。通过添加去耦电容和VRM的方法降低电源/地平面谐振产生的电压幅值，为PCB建立了一个合格的电源分配系统；通过在过孔周围添加接地过孔来消除因过孔传输线上产生的串扰。然后，建立板级、芯片级模型进行仿真，获取同步开关噪声、谐振电压分布、串扰等对PCB板信号传输和电源网络产生干扰的数据信息。通过添加旁路电容、阻抗匹配和滤波器等有效的的降低同步开关噪声、串扰、反射对传输信号和系统产生的电磁干扰；通过添加去耦电容和共用地平面的措施使对影响系统工作的谐振区域进行优化，在designer里面导入芯片IBIS模型进行同步开关噪声仿真，通过阻抗匹配、添加旁路电容的方法降低了同步开关噪声干扰。最后，在designer/Nexxim软件里面建立了等效的电路模型进行时域仿真，根据仿真结果对PCB板的电源分配网络和信号传输网络进行优化，使的PCB板具有良好的电源完整性和信号完整性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-19
  1.1 课题的背景、目的及意义  11-12
    1.1.1 课题的背景  11
    1.1.2 课题的目的  11-12
    1.1.3 课题的意义  12
  1.2 PCB 电磁兼容与信号完整性  12-13
    1.2.1 PCB 与电磁兼容  12
    1.2.2 PCB 与信号完整性  12-13
  1.3 电磁兼容国内外发展现状  13-15
    1.3.1 电磁兼容国外发展现状  14-15
    1.3.2 电磁兼容国内发展现状  15
  1.4 信号完整性国内外发展现状  15-17
    1.4.1 信号完整性国外发展现状  15-16
    1.4.2 信号完整性国内发展现状  16-17
  1.5 本文的章节安排  17-19
第2章 PCB 信号完整性理论基础  19-31
  2.1 PCB 上的高频效应  19-21
    2.1.1 传输线效应  19-20
    2.1.2 互容和互感效应  20-21
  2.2 信号完整性噪声问题  21-26
    2.2.1 反射的产生原因  21-23
    2.2.2 消除反射的方法  23-24
    2.2.3 串扰产生的原因  24-26
    2.2.4 减小串扰的方法  26
  2.3 电源完整性  26-29
    2.3.1 谐振产生原因  27
    2.3.2 谐振优化方法  27-28
    2.3.3 SSN 的产生原因  28-29
    2.3.4 改善 SSN 的方法  29
  2.4 PCB 信号完整性设计流程  29-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章信号完整性仿真模型  31-43
  3.1 Spice 仿真模型原理与建模方法  31-33
    3.1.1 Spice 模型描述  31
    3.1.2 Spice 的功能和特点  31-32
    3.1.3 Spice 模型的建模方法和不足  32-33
  3.2 IBIS 仿真模型原理与建模方法  33-37
    3.2.1 IBIS 模型概述  33-34
    3.2.2 IBIS 模型的结构  34
    3.2.3 IBIS 模型语法  34-36
    3.2.4 IBIS 模型与信号完整性分析  36-37
  3.3 建立 IBIS 模型  37-41
    3.3.1 建立芯片 MAX1480 的 Spice 模型  37-41
    3.3.2 Spice 模型转换成 IBIS 模型  41
  3.4 本章小结  41-43
第4章 PCB 电源完整性仿真分析  43-61
  4.1 电源分配系统建模基础  43
  4.2 电源/地平面噪声  43-45
    4.2.1 PCB 和封装电源/地平面  44
    4.2.2 电源/地平面谐振模式  44-45
  4.3 基于 SIwave 电源/地平面谐振分析  45-56
    4.3.1 裸板谐振电压分布  46-48
    4.3.2 阻抗和互阻抗与谐振关系  48-53
    4.3.3 满参数 PCB 板谐振分析  53-55
    4.3.4 满参数 PCB 板谐振优化  55-56
  4.4 SSN 仿真  56-60
  4.5 本章小结  60-61
第5章信号完整性仿真分析  61-75
  5.1 TDR  61-67
    5.1.1 TDR 建模  61-62
    5.1.2 TDR 频域仿真  62-64
    5.1.3 TDR 时域仿真  64-67
  5.2 信号完整性与串扰仿真  67-69
    5.2.1 信号线参数提取  67-68
    5.2.2 串扰时域仿真  68-69
  5.3 差分信号眼图仿真  69-72
    5.3.1 差分信号 S 参数提取  70
    5.3.2 差分信号眼图仿真  70-72
  5.4 远程辐射仿真  72-73
  5.5 本章小结  73-75
结论  75-76
参考文献  76-79
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  79-80
致谢  80-81
附录  81-93

基于信号完整性的PCB仿真设计与分析研究

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