第1章信号完整性分析概论 ----新设计方法和仿真测量
需要一种新的产品设计方法来确保在产品设计周期中尽早地确定并消除产品的信号完整性问题。 为了满足越来越短的设计周期时间，产品必须一开始就符合性能指标。
一.一种新的产品设计方法学
新的产品设计方法学有五个关键组成部分：
1. 理解信号完整性问题的起源和减小这些问题的总体方针；
2. 对于具体的定制产品，将总体方针转换成具体的设计规则；
3. 在设计周期的早期，创建元器件、关键网络和整个系统的电气电路模型并进行局部和系统级的仿真，以便预测产品的性能；
4. 对于成本、进度和风险，在设计周期的每个阶段尤其是初期，通过建模和仿真来优化设计的性能；
5. 在整个设计周期中进行特征参数化测量以减少风险和提高质量预测的可信度。
除了 “理解”之外，这种新的设计方法学的其他关键过程是：建模、仿真和特征参数化。
仿真就是在制作硬件之前对系统性能进行预测，通常只仿真系统中那些对信号完整性的效 应敏感的网络。这些网络称为“关键网络'一般来说，这些网络是时钟线，也可能是一些高 速总线。在100 MHz时钟频率的产品中，可能仅有5%~10%的关键网络；在时钟频率为200MHz或更髙的产品中，关键网络可能超过50%,这时整个系统都需要进行仿真。
为了预测电气性能（通常是指各节点的实际电压和电流波形），必须将物理设计转换成电气描述。这里有两类仿真实现途径：
一种是将物理设计转换成等价的电路模型，然后用电路仿真器来预测各节点的电压与电流。
另一种方法就是基于物理设计，使用电磁仿真器，对各处的电场和磁场进行仿真，由电场和磁场可以得到互连线的行为模型（此模型可以在电路访真器中使用）。或者是将电场和磁场转 换成电压和电流来显示其性能。
二.仿真
有三种电气仿真工具可以用来预测互连线对信号行为的模拟影响:
1.电磁仿真器：在时域或频域中，对麦克斯韦方程进行求解，并仿真出各个位置的电场和磁场。
2.电路仿真器：在时域或频域中，对各种电路元件对应的微分方程进行求解，并运用基尔霍夫电流电压关系来预测各个电路节点处的电压和电流。
3.行为仿真器：通常在时域进行。它使用表格和传输线模型，以及基于传递函数的无源 元件模型。采用传递函数能快速预测出各节点的电压与电流。
关于电磁仿真，应该把信号完整性问题归结为麦克斯韦方程。说到底，信号只不过是在传播电场和磁场。当仿真电场和磁场本身时，互连线和所有无源器件必须转换为与其几何结构和材料特性相关的导体和介质。
将器件驱动器输入转换为人射电磁波，并用麦克斯韦方程来预测这个波如何与导体和介质相互作用，材料的几何结构和特性规定了求解麦克斯韦方程的边界条件。
电路仿真，使用电压和电流来表示信号，将各种导体和电介质转换成电阻、电容、电感等基本电路元件及其之间的耦合关系。电路仿真器所能仿真的范围有一些限制，他不能仿真电磁效应，如电磁干扰、谐振和非均匀波传播。然而，它能准确地仿真近场串扰、传输线传播和开关噪声之类的效应。
行为仿真器使用表格和特殊的传递函数来仿真电压和电流，与电路仿真器相比，其主要优点在于运算速度快。许多行为仿真器使用专门的仿真引擎，并且针对特殊类型的电路，如无损线、耦合传输线，这些仿真器还进行了优化设计。当前大部分的仿真软件为行为仿真。
三.模型和建模
章结：
建模在我们的设计仿真中，通常指无源器件的建模。有源器件的模型一般有器件厂商提供。
针对无源器件，如所有互连线和分立元件模型，可通过两种方法进行：计算和测量。计算又包括三个等级：经验法则、解析近似和数值仿真。三者的精确度不同。
而测量是任何计算结果的最终测试。它包含三种仪器：阻抗分析仪、矢量网络分析仪(VNA)和时域反射计(TDR)。
建模是指为元器件创建一种电气表征与描述模型。仿真器可以对它进行解释并用它来预测电压和电流波形。
有源器件（如晶体管和输出驱动器）的模型与无源器件（如所有互连线和分立元件）的模型是完全不同的。
有源器件的模型通常是SPICE兼容模型，或者是输人/输出缓冲接口特性(Input/output Buffer Interface Specification ,IBIS)兼容模型。
有源器件的 SPICE模型要用到理想源和无源器件的组合，或基于晶体管几何结构的专用晶体管模型，所以当工艺技术改变时也能容易地按比例改变晶体管的行为。 SPICE 模型包含了驱动器的具体特征和工艺技术的有关信息。因为包含了这些颇有价值的信息，大多数厂商都不 愿意给出芯片的 SPICE模型。
IBIS是定义输人或输出驱动器的V-I和V-t特性响应的一种格式。行为仿真器提取有源器件的V-I 和 V-t 曲线，并仿真出这些曲线受传输线和表示互连线的集总元件电阻、电感、 电容影响时的变化程度。有源器件的 IBIS 模型的主要优点就是IC厂商提供器件驱动器 的 IBIS 模型，可以不泄漏晶体管几何结构的技术产权信息。
（注意，上面所述强调的是有源器件的模型，该模型一般由器件厂商提供。而无源器件，如所有互连线和分立元件模型一般在仿真时由我们自己创建）
获得组成系统的所有元件模型至关重要。仿真信号完整性效应的唯一方法就是包括互连线和无源元件的模型，如板级传输线、封装模型、接插件模型、去耦电容和端接电阻器。
创建互连线的精确电路模型有两种基本方法：计算和测量。通常通过计算来创建模型称为分析，通过测量来创建模型称为表征。
1.通过计算创建电路模型
为了有助于折中方案分析，将预测性能或电气特性的近似方案分成如下3个级：
- 经验法则;
- 解析近似;
- 数值仿真；
每种方案表示出对现实情况的不同优化折中（包括得出答案的精度、所需的时间和努力），当然，这些方案并不能替代实际测量。然而，与基于创建/测试/重新设计的方案相比，恰当地使用正确的分析技术有时能将设计周期时间缩短至原来的10%。
1）.经验法则
经验法则是一些简单的关系，易于记忆且有助于激发直觉。例如，单位长度导线的自感约为25nH/in 。因此，一根0.1 in长的导线接头的自感约为2.5nH。
在分析问题时，如果仅用来比较每个答案的正确性，那么经验规则应作为第一步。
2）. 解析近似就是采用方程或者公式。
提示要特别注意，除了极个别的例外，在信号完整性分析中用到的方程或者是定义，或者是近似。
定义明确给出两项或多项之间的确切关系。例如，时钟频率与时钟周期的关系 F=1/T 就是一个定义。电压、电流和阻抗之间的关系 Z = V/I也是一个定义。
验证近似准确性的一个方法是建立表征完善的测试结构并进行测量，然后与计算结果相比较（下面会提到测量表征）。
3）.数值仿真
根据几何结构和材料特性，可以使用一种非常精确的方法来计算互连线的电路元件的参数 值。此方法是基于麦克斯韦方程的数依计算。这些工具称为场求解器。
因为它们运用导体和介质 分布的边界条件，基于麦克斯韦方程对电场和磁场求解◦有一种场求解器将计算出的场转换为等 效电路模型元件的实际参数值，如电阻、电感和电容值，这种场求解器称为寄生参数提取工具。
结合这3种分析技术，通过预测可能得到的性能，就可以权衡比较出各种时间、费用和风险折中方案。
2.测量和三种测量技术
对任何计算结果的最终测试就是测量。
对于无源互连线的测量不同于有源器件，测量仪器必须先产生一个精确的参考信号，把它加到被测器件中，然后测量响应。
最终，这个响应与器件的阻抗有关系。相反，在有源器件的测量中，器件自己可产生信号，测量仪器可以是无源的，只需测量产生的电流或电压。
测量无源元件的仪器主要有如下3种：
1).阻抗分析仪
阻抗分析仪测量电压/电流比=阻抗。频率从100Hz到40MHz。有四个接头，一对接头产生流过被测器件(DUT)的正弦波电流，
第二对接头测量被测器件(DUT)的正弦电压。
2).矢量网络分析仪(vector-network analayzer,VNA)
矢量网络分析仪在频域工作。每个接头或端口发出一个正弦电压，频率范围从几KHz到50GHz，在每个频率点测量入射电压的
幅度与相位以及反射的幅度和相位。
3).时域反射计(time-domain reflectometer,TDR)
时域反射仪(TDR)在时域工作。发射快速上升的阶跃信号，上升边为35ps到150ps，然后测量反射的瞬态幅度。
阻抗分析仪和矢量网络分析仪在频域中工作。TDR在时域中工作。
DUT--device under test，被测器件。
3.测量的作用
测量的主要作用是验证，即验证“设计/建模/仿真”过程的准确度。避免由于使用未验证的过程而浪费大量的资源。
1).验证“设计/建模/仿真”过程的准确度。避免由于使用未验证的过程而浪费大量的资源。
2) .验证委托加工元器件是否满足性能指标
3) .在设计周期的每个阶段，当元器件是现成的或可从厂商那里得到时，应通过测量为器件创建模型。
Create an equivalent electrical model for a component at any stage of the
design cycle as parts are made available or acquired from a vendor.
4) .在设计周期的每个阶段，当元器件是从经销商处外购时，对元器件影响系统性能的情况进行实测。这是一种不需要建立模型而确定预期性能
的快速方法。
Emulate system performance of a component as a quick way of determining
expected performance without building an electrical model, at any stage of
the design cycle as parts are made available or acquired from a vendor.
5) .在设计周期的每个阶段，当元器件是从经销商处外购时，通过测试对功能模块或系统进行调试。
Debug a functional part or system, at any stage of the design cycle as parts
are made available or acquired from a vendor. |
