高速PCB設計方法及EDA分析

[摘要]許多傳統PCB設計中忽略的因素已經成為影響高速數字系統性能的首要因素，傳統的設計方法無法適應新的挑戰，基于信號完整性分析的現代高速PCB設計方法應運而生。

[關鍵詞]仿真模型 高速PCB 設計方法

[文獻編碼]doi：10.3969/j.isan.0450-9889(C).2011.12.059

一、傳統的PCB設計方法

傳統的PCB設計依次經過原理圖設計、版圖設計、PCB制作、測量調試等流程，如圖1所示。

在原理圖設計階段，由于缺乏有效的分析方法和仿真工具，要求對信號在實際PCB上的傳輸特性作出預分析，原理圖的設計一般只能參考元器件數據手冊或者過去的設計經驗來進行。而對于一個新的設計項目而言，可能很難根據具體情況對元器件參數、電路拓撲結構、網絡端接等作出正確的選擇。

在PCB版圖設計時，同樣缺乏有效的手段對疊層規劃、元器件布局布線等所產生的影響作出實時分析和評估，那么版圖設計的好壞通常依賴于設計者的經驗。

二、基于信號完整性分析的PCB設計方法

基于信號完整性分析的PCB設計流程如圖2所示。

其主要包含以下步驟：

因為整個設計流程是基于信號完整性分析的，所以在進行PCB設計之前，必須建立或獲取高速數字信號傳輸系統各個環節的信號完整性模型。

在設計原理圖過程中，利用信號完整性模型對關鍵網絡進行信號完整性預分析，依據分析結果來選擇合適的元器件參數和電路拓撲結構等。及時糾正錯誤以降低整個設計完成后才發現產品失敗的風險。

在PCB設計完成后，就可以進行PCB制作，PCB制作參數的公差應控制在規則允許范圍之內。

當PCB制作完成后，要進行一系列的測量調試。一方面測試產品是否滿足性能要求，另一方面通過測量結果驗證信號完整性分析和模型分析過程的正確性，并以此作為修正模型的依據。

用SHCE模型可以完成多種類型的電路分析，其中最為主要的有：

直流分析，包括靜態工作點、直流靈敏度、直流傳輸特性、直流特性掃描分析。

交流分析，包括頻率特性、噪聲特性分析。

瞬態分析，包括瞬態響應分析和傅里葉分析。

參數掃描，包括參數掃描分析和溫度特性分析。

蒙特卡羅分析。

最壞情況分析。

此外，由于SHCE模型還包含了器件隨溫度變化的特性。所以以上這些分析都可以設定在不同的溫度下進行。

IBIS目的是提供一種集成電路制造商－EDA軟件廠商－設計工程師之間相互交換電子元件仿真數據的標準格式。IBIS的版本發布情況為：1993年4月首次推出Version1.0版；1994年6月發布了Version2.0版；1997年6月發布了Vemion3.0版，并于同年9月被接納為IEC62012-1標準；1999年1月推出了Version3，2版，該版本為目前廣泛使用的版本。

IBIS本身只是一種文件格式，它說明在標準的IBIS文件中如何記錄一個芯片的驅動器和接收器的不同參數，但并不說明這些參數如何使用，這些參數需要由支持IBIS模型的仿真工具來讀取。

一個IBIS文件包括了從行為上模擬一個器件或一組器件的所有輸入、輸出和“I／O”等類型緩沖器所需要的數據，它以ASCII的格式保存。IBIS文件主要由以下3個部分組成。

文件頭：這部分包含關于IBIS版本、文件名、版權等信息。

器件描述：包含器件名稱、制造商、封裝和引腳等信息。

模型描述：這部分定義了模型對應的緩沖器類型；門限電平；描述PuIIdown、Pulhp、Power Clamp、Gnd Clamp的I／V數據表；Ramp數據；描述波形上升／下降沿的V／T數據表等。不同類型的緩沖器包含的數據有所不同，如圖3所示為IBIS模型的一般結構。

[作者簡介]黃守寧(1974-)。男，廣西機電職業技術學院電氣工程系工程師，研究方向：機電一體化技術。

(責編 黃鴻業)