基于Protel 99的PCB信号完整性分析

从信号完整性分析设计规则、完整性分析仿真器、波形分析器等三个方面说明了如何利用Protel 99的信号完整性分析功能进行印刷电路板的设计。

引言

随着各种大规模、高密度新型电子元器件的不断涌现，电子电路的设计越来越复杂、越来越精密。基于这种迫切需求，电路CAD设计技术也充分利用了计算机革命所带来的成果，使得设计手段发生了翻天覆地的变化，其中的Protel 99电子设计软件就是一款功能强大、界面友好、操作简便实用的快速、高效的电路CAD设计软件。为了保证设计的电路能可靠工作，需要对电路进行准确地时序分析、波形分析、信号完整性分析、电磁噪声分析等，以避免设计的盲目性，降低设计成本。这里着重介绍如何利用Protel 99软件对所设计之PCB 进行预先的信号分析，使得设计的电路更加切实可行。

信号完整性的有关概念

电磁干扰

电磁干扰是指电子产品向外发出噪声，引起设备、装置或系统工作性能降低的电磁变化现象，主要分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指电磁通过导电介质把信号从一个电网络上耦合（干扰）到另一个电网络上;辐射干扰是指干扰源（电磁）通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络上。在PCB设计中，需要考虑的主要是辐射干扰，因为集成电路的引脚、各类接插件等都具有天线的特性，能发射电磁波并影响本系统或其他电系统的正常工作。

信号完整性

信号完整性是指信号在信号线上的传输质量，是信号在电路中能以正确的时序和电压作出响应的能力。在实际的电路工作时，由于多种因素往往会造成信号传输质量下降，对设备正常工作造成影响。因此在电路设计时，必须考虑在需要的时候，信号能达到所必需的电压电平数值，即信号具有良好的信号完整性。

串扰

串扰是指两条信号线之间的信号发生耦合，即信号线之间的互感和互容会引起信号线上的噪声。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式等都会对串扰有一定的影响。

反射

反射是指在信号传输线上产生的回波。如果源端与负载端阻抗不匹配，当信号功率传输到线上并到达负载处时，将引起线上反射，负载将一部分电压反射回源端。布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面不连续等因素的变化均会导致此类反射。

网路阻抗

网路阻抗是指信号传输线上输入电压对输入电流的比值。当某一个源端发送一个信号到传输线上时，阻抗将阻碍信号驱动，直到2TD时，信号仍未改变，TD是传输线的延时。

过冲和下冲

过冲是指信号个峰值或谷值超过设置电压，其中对于上升沿是指电压，对于下降沿是指电压。下冲是指下一个谷值或峰值。过冲严重时由于保护二极管工作，会导致其过早地失效;下冲严重时会引起假的时钟或数据错误（误操作） 。

信号完整性分析工具的特点

Protel 99软件中包含有一个信号完整性仿真器，它使用经典的传输线理论和I/O缓冲器模型信息作为仿真输入。基于快速反射和串扰仿真模型，它根据经过工业验证的算法产生的仿真，并具有以下特点：

①在设计规则中必须对设计参数约束（如阻抗、过冲、下冲等）进行定义；

②设计人员无须特殊经验即可在PCB 编辑器中直接进行电路的信号完整性分析；

③采用设计规则检查（DRC） ，可以迅速定位不符合设计要求（设计规则中设定的约束内容）的网络；

④使用I/O缓冲器宏模型，不需要了解有关SP ICE语言和模拟仿真的知识。另外，采用宏模型逼近，可更快、更准确地进行仿真，并依据元件编号进行模型的自动匹配连接，支持IB IS2工业标准子集；

⑤信号完整性仿真的波形结果，可在图上以示波器的形式进行显示，直观、方便；

⑥利用电阻和电容的参数值对不同的分析终止策略进行假设分析；

⑦仿真器内含成熟的传输导线特性计算和并发式仿真算法；

⑧提供了快速的反射分析和串扰分析。

信号完整性分析

设置信号完整性分析规则

在PCB编辑主界面中执行菜单命令【Design】/【Rules. 。 . 】，会出现设计规则对话框，单击其中的【Signal Integrity】标签，可切换到信号完整性规则设置项对话框，如图1所示。

图1　信号完整性分析规则设置对话框

在图1设置对话框的左边Rule Classes列表框中含有14个约束设置项，每个约束项的约束范围基本上只有3 种：“Whole Board ”、“Net”和“NetClass”。每当选中左边列表框中某一个设置项时，在列表框右边就会出现该设置项的相关说明，如何进行具体地设置，这里就不一一叙述了。

信号完整性分析仿真器

信号完整性分析工具内嵌在PCB编辑器中，提供一个便于使用的交互式仿真环境。在PCB编辑主界面中执行菜单命令【Tools】/【Signal Integrity. 。 . 】，会出现信号完整性仿真器窗口，如图2所示。下面简单介绍该仿真器几个关键的菜单命令。

图2　信号完整性仿真器的工作窗口

【GetNets】　该命令在【File】菜单下，用于将当前正在设计的电路板（处于打开的激活状态）进行信息连接，从电路板的数据库中提取出所有的网络名称，并将它们在仿真器主窗口中的【All Nets】列表栏中列出。

【Take Over】　该命令在【Edit】菜单下。执行本命令，仿真器将与当前正在设计的电路板相连，从该电路板的数据库中提取出与【All Nets】列表栏下选中网络相关的布局数据，才能进行信号完整性仿真。

【Termination Advisor】　该命令在【Simulation】菜单下。用于定义网络仿真的终止方式，仅对反射或串扰分析有效，对“Screening”分析无效。终止方式有：【None】（无终止方式）、【Serial R】（串扰方式）、【Parallel R to VCC】（电源VCC端并联电阻方式）、【Parallel R to GND】（地端并联电阻方式）、【ParallelR’s to VCC and GND】（电源端和地端并联电阻方式）、【Parallel C to GND】（地端并联电容方式）、【Rand C to GND】（地端并联电阻和电容方式）、【ParallelSchottky Diodes】（并联肖特基二极管方式）

【Reflection】　该命令在【Simulation】菜单下。执行该命令后，仿真器将使用在【Simulation】单的下方列表栏中关于每个网络的缓冲器的选定输出作为驱动，并考虑所有已设置的有效终止方式，来进行详细的信号反射仿真。仿真结果以图形方式显示在波形分析器中。

【Crosstalk】　该命令在【Simulation】菜单下。执行该命令后，仿真器将使用在【Simulation】菜单的下方列表栏中关于“Agressor Net”的缓冲器的选定输出作为驱动，并考虑所有已设置的有效终止方式，来进行详细的信号反射仿真。仿真结果以图形方式显示在波形分析器中。

波形分析器

使用波形分析器可以方便地显示出反射仿真和串扰仿真的结果，并可以直接对波形进行测量计算。波形分析器是通过执行【Simulation 】菜单下的【Reflection】/【Crosstalk】命令来启动的。波形分析器工作窗口如图3所示。

图3　波形分析器工作窗口

在波形分析器示图区的右边，列出了正在进行波形分析的网络名称以及属于该网络的元件引脚名称。在这里，使用鼠标左键单击某个元件引脚名称或其下方的小短线（对不同的引脚以不同的颜色显示，以作区分） ，就可以选中该引脚上的信号波形，在图中将以高亮状态显示;再次单击，将取消信号波形的选中。只有选中了某个引脚上的信号波形，才可以对它进行分析计算，同时在波形分析器示图区的右边空白处显示一系列相关的测量值。图4是对图3中的一个信号波形进行FFT变换以及特征参数计算的结果。

图4　FFT变换以及特征参数计算的结果

结束语

总之，在用Protel 99电子设计软件开发电路时，只有充分利用好信号完整性分析功能，分析印刷电路板的设计和检查设计参数，并测试电路的特性参数，这样才能在电路板投入实际应用之前，发现可能出现的信号完整性问题，避免设计的盲目性，缩短开发周期，提高设计的可靠性。