ADS信号完整性仿真分析技术.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.78M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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信号完整性仿真分析技术安捷伦科技（中国）有限公司：孙灯亮袁徐亮王熠一、信号完整性仿真分析对象和必要性信号完整性是指信号在通过一定距离的传输路径后在特定接收端口相对指定发送端口可原程度的不同指标的描述。通常指定的收发参考端口是发送芯片输出处及接收芯片输入处的波形可测点，此时对信号还原程度主要依靠上升/下降及保持时间等指标来进行描述。而如果指定的参考收发端口是在信道编码器输入端及解码器输出端时，对信号还原程度的描述将会依靠误码率来描述。图 1 是一个典型背板信号传输的系统示意图。文中“系统”一词包含信号传输所需的所有相关硬件及软件，包括芯片、封装与 PCB 板的物理结构，电源及电源传输网络，所有相关电路实现以及信号通信所需的协议等。从设计目的而言，需要硬件提供可制作的支撑及电信号有源/无源互联结构；需要软件提供信号传递的传输协议以及数据内容。 1001010… 芯片输出封装子卡过孔 1001010… 芯片输入封装子卡封装导线 PCB 导线背板转接器图 1 背板信号传输的系统示意图在本章的以下内容中，将会看到由于这些支撑与互联结构对电信号的传输呈现出一定的频率选择性衰减，从而会使设计者产生对信号完整性及电源完整性的担忧，同样，其他许多频域的效应比如趋肤效应，传输线效应等等都会对信号完整性产生严重的影响。而用传统的时域仿真的方法无法正确的模拟这些效应。与此同时，不同传输协议及不同数据内容的表达方式对相同传输环境具备不同适应能力，使得设计者需要进一步根据实际的传输环境来选择 10203040050-0.50.00.51.01.5-1.02.0time, nsecVcore, V10203040050-0.50.00.51.01.5-1.02.0time, nsecVout, V

信号完整性仿真分析技术或优化可行的传输协议及数据内容表达方式。因此，同时拥有业界最先进的频域和时域仿真技术，电磁场仿真技术和数字信号处理仿真技术的安捷伦 ADS 软件将给我们提供最完整的信号完整性分析设计的工具和流程。信号完整性仿真分析的必要性 1. 项目开发时间的压力：项目的压力要求缩短产品开发的周期，因此要求将尽量在设计初期发现和解决可能出现的问题。 2 . 问题定位和解决: 每次投版,改版都耗费大量的时间,当出现问题时,无法判别问题来源,在与绘版提供商之间无法界定。 3．针对实际产品的建模重要性：由于信号完整性问题的特殊性，我们需要对信号的物理通道进行准确的建模，才能进行正确的仿真从而在设计阶段发现问题。如下图，在发送端非常完美的信号经过实际的物理通道后达到接收端，信号发生了严重的失真。在设计阶段验证我们所设计的物理通道是否能够满足系统信号完整性指标，就需要我们对物理通道的每个部分进行精准的建模，特别是针对实际产品所用器件和板材进行专用模型的建立,而传统的 EDA 软件不能够提供完善和器件接口以及建模方法。图 2 实际信号传输示意图 4．集成的仿真平台进行从系统到电路的信号完整性仿真和与测试平台协同仿真：预测系统集成时出现的问题需要集成的仿真平台，而传统上，芯片、封装、电路板、互连线等采用不同的平台开发，彼此很难结合仿真，或者没有仿真的条件。由于电路板级的设计对系统信号完整性有决定性的影响，而传统的方案无法实现带有芯片和封装的电路板级的仿真。再者，现在信号完整性分析已经不再停留在物理通道仿真的层面，比如流行的 PCI-Express 已经把预加重加入到数据编码算法，所以对我们的 EDA 软件也提出了系统级的仿真能力的要求。 2

信号完整性仿真分析技术 5. 仿真测试形成闭环：安捷伦信号完整性测试仪器(示波器，网络仪,PLTS 等)，当其与安捷伦 ADS 软件连接后可以形成安捷伦软硬件协同仿真平台，互相扩展功能。例如，抓取仪器测量结果，作为 ADS 软件仿真环境的源，激励设计电路，重现问题场景，以评估实际电路对整个系统信号完整性的影响，并且作出合理的修改等等，传统的单台仪表方案只能完成简单测试功能,不能够实现系统级的分析和研发功能,在当今先进研发流程中,越来越要求系统级的从设计到测试的一体化平台。安捷伦 ADS 设计软件和安捷伦先进测试仪器的有机结合,形成不可分割的信号完整性完整解决平台,将对高速信号传输板级设计提供强有力的从设计到测试的支持. 二、信号完整性仿真分析平台方案和仿真流程安捷伦 ADS 设计软件为传输速率达到 Gbps 的高速数字电路提供了优秀的设计环境，电路模型和最先进的仿真技术。基于实际设计的需要，设计工程师可以在时域仿真器(瞬态仿真)，频域仿真器(线性，非线性/混合信号仿真)，电磁场仿真器(全波三维电磁场，三维平面电磁场)和许多其他仿真技术中挑选、组合来实现最高效最准确的时频域仿真。由于上述仿真技术都是 ADS 软件的组成部分，因此设计者可以在同一平台上完成集成电路设计、电路板设计、以及电磁场分析等工作，从而获得更高的工作效率。图 3 典型信号完整性问题原理框图上图是研发过程中的信号完整性问题的典型原理框图。一般研发的高速数字电路为高速数字信号发送端，经过上图中的实际信号通道达到接收芯片，而安捷伦 ADS 提供的单一平台上从接收端到发射端的完整的解决方案。安捷伦 ADS 拥有丰富而先进的仿真技术，覆盖时域、频域、数字域、电磁场，而所有这 3

些都是信号完整性分析过程中必须的模块。下图罗列了 ADS 中的仿真器，通过合理的使用仿真模块，安捷伦 ADS 提供业界最完整、最高效的信号完整性问题解决流程。信号完整性仿真分析技术图 4 安捷伦 ADS 软件仿真器组成图 ADS 是一项技术丰富的仿真环境。图 4 出示适用于信号完整性任务的最重要仿真技术，特别要强调的是 Ptolemy。Ptolemy 用于仿真发送机至接收机的整个链路，包括编码、预加重和均衡技术。电路级共仿真允许融入线性或非线性电路基模型和数据基模型，包括 IBIS AMI。数值级共仿真允许包括 Matlab 和 VHDL 模型。这一共仿真是仿真整个差分背板通道的关键组件。此外，物理仿真已经集成至 ADS 环境，电磁分析则也已集成至布局图和电路图环境。时域/频域/数字域仿真器高频SPICE 仿真器(瞬态仿真器)是 ADS 中时域仿真器，适用于高速大规模集成电路的时域仿真。瞬态仿真器提供了 SPICE 仿真器的所有功能，同时优化了仿真大规模集成电路方面的能力。同时，ADS 对 IBIS 模型有非常好的支持，包括最新的基于 Verilog-A 的 IBIS AMI 模型。卷积仿真器是对频域模型在时域仿真器的功能扩展，通过卷积仿真器，我们把频域模型中所包含的频域效应比如趋肤效应等完整的转换为时域冲击响应，从而确保时域仿真的准确度。线性频域仿真器（交流/S 参数仿真器）适用于大规模集成电路在频域的线性仿真。对 4

信号完整性仿真分析技术信号完整性工程师来说，线性频域仿真器是我们对无源电路进行频域模型提取的最佳工具，比如电路阻抗，反射系数，驻波比等等。电路包络仿真器和Ptolemy仿真器是 ADS 中完成系统级分析的必备模块。Ptolemy 仿真器是一个基于数据流和时间同步数据流技术的系统级仿真工具。用它可以完成 DSP 和电路射频仿真的共仿真，例如无源数字电路走线和 DSP 接收端和发射端共仿真，以验证不同算法编码的信号通过实际电路通道后不同的信号完整性表现。另外，目前先进的高速数字协议比如 PCI-Express 的预加重已经加入到算法中，我们需要使用 Ptolemy 仿真器和电路包络仿真器才能完成对完整的 PCI-Express 系统的仿真。另外，这两个模块可以帮助你搭建复杂的算法完成系统级仿真，进行诸如误码率、误包率、浴缸图等系统级指标的量测。电磁场仿真器Momentum/EMPro 是 ADS 中电磁场求解环境，对于高速电路设计工程师来说，电磁场仿真器给他们提供了准确的无源电路模型，而且适用于任意形状的无源电路的求解。另外最新的三维全波电磁场仿真器 EMPro，相对应于平面三维电磁场工具 Momentum，高速电路设计工程师可以根据实际电路情形在精度和效率上选择这两种电磁场工具。互连线和多层模型是安捷伦 ADS 提供的基于电磁场求解的准确电路模型。多层库支持最高 40 层/80 根耦合线，准确的模型是准确仿真的基础，同时提高了仿真的速度。信号完整性问题解决流程在上述仿真器模块的基础上，安捷伦提供业界最完整的信号完整性问题的解决流程。针对一般情况，我们在分析信号完整性问题的时候需要考虑的问题如下：系统设计功能及性能 PCI-E/DDRII/SATA /… 扩频/预加重/… … 电路设计时钟树 SSTL/HSTL/LVDS/… … 初始模型前仿真优化模型细化后仿真存档芯片版图布局优化封装版图 PCB版图互联结构解耦方案图 5 一般高速电路设计中需要考虑的问题测试验证三、PCB 版图分析与设计我们从最底层出发，来分析整个流程。从 PCB 版图的分析开始，安捷伦 ADS 提供电磁场仿真器 Momentum 和 EMPro 提供解决方案。PCB 板的结构可以分为正片结构、负片结构 5

信号完整性仿真分析技术及通孔。正片结构是指该层上的走线大多为不同逻辑连接的信号线或离散的电源线，由于在制版光刻中所有的走线都会以相同图形的方式出现，所以被称为正片结构，有时也被称为信号层；负片结构则是指该层上基本上是相同逻辑连接的一个或少数几个连接（通常是电源连接或地连接），通常会以大面积敷铜的方式来实现，此时光刻工艺中用相反图形来表征更加容易，所以被称为负片结构，有时也称为平面层（细分为电源平面层和地平面层）；而通孔用来进行不同层之间的物理连接。目前的制造工艺中，无论是芯片、封装以及 PCB 板大多都是在类似结构上实现。对于信号完整性而言，首要任务是保证信号通路在一定负载情况下呈现良好的匹配状况；同时避免不期望的寄生耦合改变已设计好的匹配状况。利用电磁场仿真不但可以准确得计算实际版图结构中信号通路的匹配状况，同时也可以计算信号通路周围结构带来的寄生耦合（如果周围是信号线则通常被称为串扰），其强度可以直接表征为周围走线或平面上感应所产生的电流密度，从而可以帮助优化版图结构。 6

信号完整性仿真分析技术图 6 导线电流密度分布上图是在 3GHz 激励下顶层导线电流密度的分布状况。从左图中可以看出高频下电流在导线上的传输呈现出边缘效应。而其传输响应在 3GHz 时有大约 0.7dB 的衰减四、芯片封装分析与设计一般我们使用的高速数字芯片带有封装，而且数字信号速度达到 Gbps 以上，因此我们不能忽略芯片封装所带来的寄生效应。针对芯片封装，安捷伦 ADS 提供完整的封装建模解决方案。使用 ADS 的电磁场仿真器 Momentum 或者全新的三维电磁场仿真器 EMPro，我们可以快速而且准确的为封装建模。下图简单演示了建模的过程。图 7 BGA 封装的芯片版图上图是一个 96-BGA 封装的芯片版图，在 ADS 电磁场仿真环境里面我们完成了对其电磁场求解。 7

信号完整性仿真分析技术图 8 电路－电磁场封装共仿真完成了电磁场的仿真后，ADS 提供的电路－电磁场共仿真的能力，可以迅速把封装结构转化为电路图的模型，与其他电路元件进行共仿真，如上图。由于芯片速度越来越快，一般的芯片传输速率达到 6.25Gbps, 在此情况下，封装的寄生参数引起的寄生效应已经无法忽略，而使用安捷伦 ADS 提供的电磁场环境对封装结构进行全波电磁场求解，可以完整无误的考虑到所有由于封装结构引入的寄生效应，从而保证设计过程更加符合实际的情况。由于封装中含有大量的键合线，因此三维全波电磁场仿真器 EMPro 是最佳的选择。五、电源完整性分析和设计对于电源完整性而言，期望增加电源与地之间的容性耦合，因为可以帮助滤除电源中的交流波动。在实际应用中，往往采取加解耦电容的方法。对于电源完整性设计而言，电流密度改动的动态显示可以帮助设计者直观了解到电源网络中振荡现象产生的原因。从而帮助设计者确定加解耦电容的最佳位置。下图模拟了一种简单的电源传递网络：电源平面和地平面是规整的矩形，这有助于定性的验证电磁场仿真结果。工作器件与供电电源分别连接在矩形的两个对角上。假设工作器件对于该供电网络的阻抗为 20 欧姆。利用电磁场仿真可以观察电流从端口 1 流入经过该电源传递网络再从端口 2 流出的损耗状况。 8

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