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信号/电源完整性仿真分析与实践

作译者：邵鹏

出版时间：2013-04 千字数：392 版次：01-01 页数：348

开本：16(185*260) 装帧： I S B N ：9787121197468

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纸质书定价：￥55.0

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目    录
第1篇  基础理论篇
第1章  高速系统设计简介	2
1.1  PCB设计技术回顾	2
1.2  什么是“高速”系统设计	3
1.3  如何应对高速系统设计	8
1.3.1  理论作为指导和基准	9
1.3.2  积累实践经验	11
1.3.3  平衡时间与效率	11
1.4  小结	12
第2章  高速系统设计理论基础	14
2.1  微波电磁波简介	14
2.2  微波传输线	16
2.2.1  微波等效电路物理量	17
2.2.2  微波传输线等效电路	17
2.3  电磁波传输和反射	21
2.4  微波传输介质	24
2.4.1  微带线（Microstrip Line）	25
2.4.2  微带线的损耗	26
2.4.3  带状线（Strip Line）	28
2.4.4  同轴线（Coaxial Line）	29
2.4.5  双绞线（Twist Line）	30
2.4.6  差分传输线	30
2.4.7  差分阻抗	33
2.5 “阻抗”的困惑	33
2.5.1  阻抗的定义	34
2.5.2  为什么要考虑阻抗	35
2.5.3  传输线的结构和阻抗	35
2.5.4  瞬时阻抗和特征阻抗	36
2.5.5  特征阻抗和信号完整性	37
2.5.6  为什么是50Ω	37
2.6  阻抗的测量	38
2.7 “阻抗”的困惑之答案	40
2.8  趋肤效应	41
2.9  传输线损耗	42
2.10  小结	44
第3章  信号/电源完整性	45
3.1  什么是信号/电源完整性	45
3.2  信号完整性问题分类	47
3.3  高频信号传输的要素	49
3.4  反射的产生和预防	50
3.4.1  反射的产生	51
3.4.2  反射的消除和预防	55
3.5  串扰的产生和预防	67
3.5.1  串扰的产生	67
3.5.2  串扰的预防与消除	71
3.6  电源完整性分析	73
3.6.1  电源系统设计目标	74
3.6.2  电源系统设计方法	76
3.6.3  电容的理解	78
3.6.4  电源系统分析方法	81
3.6.5  电源建模和仿真算法	82
3.6.6  SSN分析和应用	84
3.7  电磁兼容性EMC和电磁干扰EMI	88
3.7.1  EMC/EMI 和信号完整性的关系	89
3.7.2  产生EMC/EMI问题的根源	90
3.8  正确认识回流路径（参考平面）	92
3.8.1  什么是高频信号的回流路径	92
3.8.2  回流路径的选择	93
3.8.3  回流路径的连续一致性	96
3.9  影响信号完整性的其他因素	97
3.10  小结	97
第2篇  软件操作篇
第4章  Mentor高速系统设计工具	100
4.1  Mentor高速系统设计流程	101
4.2  约束编辑系统（Constrain Editor System）	105
4.3  信号/电源完整性分析工具：HyperLynx	109
4.3.1  HyperLynx的工具架构	109
4.3.2  HyperLynx的通用性	113
4.3.3  HyperLynx的易用性	113
4.3.4  HyperLynx的实用性	117
4.3.5  Mentor高速仿真技术的发展趋势	121
4.4  前仿和后仿	122
4.5  HyperLynx -LineSim使用简介	124
4.5.1  分析前准备工作	125
4.5.2  建立信号网络	127
4.5.3  设置仿真条件	128
4.5.4  仿真结果和约束设置	131
4.6  HyperLynx-BoardSim使用简介	132
4.6.1  设计文件的导入	132
4.6.2  设置仿真条件	133
4.6.3  关键网络分析	135
4.6.4  多板联合仿真	137
4.7  HyperLynx -3DEM简介	139
4.8  小结	141
第5章  高速系统仿真分析和设计方法	142
5.1  高速电路设计流程的实施条件分析	142
5.2  IBIS模型	144
5.2.1  IBIS模型介绍	144
5.2.2  IBIS模型的生成和来源	146
5.2.3  IBIS模型的常见错误及检查方法	152
5.2.4  IBIS文件介绍	155
5.2.5  如何获得IBIS模型	159
5.2.6  在HyperLynx中使用IBIS模型	160
5.2.7  在Cadence流程中使用IBIS模型	162
5.2.8  DML模型简介	163
5.3  仿真分析条件设置	167
5.3.1  Stackup——叠层设置	168
5.3.2  DC Nets——直流电压设置	168
5.3.3  器件类型和管脚属性设置	169
5.3.4  SI Models——为器件指定模型	171
5.4  系统设计和（预）布局	173
5.5  使用HyperLynx进行仿真分析	176
5.5.1  拓扑结构抽取	176
5.5.2  在HyperLynx中进行仿真	177
5.6  约束规则生成	183
5.6.1  简单约束设计——Length/ Delay	183
5.6.2  差分布线约束——Diff Pair	184
5.6.3  网络拓扑约束——Net Scheduling	185
5.7  约束规则的应用	187
5.7.1  层次化约束关系	187
5.7.2  约束规则的映射	189
5.7.3  CES约束管理系统的使用	190
5.8  布线后的仿真分析和验证	191
5.8.1  布线后仿真的必要性	191
5.8.2  布线后仿真流程	192
5.9  电源完整性设计方法和流程	194
5.9.1  确定电源系统的目标阻抗	196
5.9.2  DC Drop——直流压降分析	197
5.9.3  电源平面谐振点分析	199
5.9.4  VRM去耦作用分析	202
5.9.5  去耦电容的集总式交流特性分析	204
5.9.6  去耦电容的分布式交流特性分析	206
5.9.7  电源噪声特性分析	207
5.9.8  电源平面模型抽取	209
5.9.9  HyperLynx-PI电源系统设计流程总结	210
5.9.10  创建VRM模型	211
5.9.11  电容的布局和布线	213
5.9.12  合理认识电容的有效去耦半径	215
5.10  小结	217
第3篇  DDR系统仿真及案例实践篇
第6章  DDRx系统设计与仿真分析	220
6.1  DDR系统概述	220
6.2  DDR规范解读	222
6.2.1  DDR规范的DC和AC特性	223
6.2.2  DDR规范的时序要求	225
6.2.3  DDR芯片的电气特性和时序要求	226
6.2.4  DDR控制器的电气特性和时序要求	229
6.2.5  DDR刷新和预充电	230
6.3  DDRx总线技术发展	233
6.3.1  DDRx信号斜率修正	233
6.3.2  DDRx ODT的配置	236
6.3.3  从DDR2到DDR3	237
6.3.4  DDR3的WriteLeveling	238
6.3.5  DDR2及DDR3的协议变化	239
6.4  DDRx系统仿真分析方法	240
6.4.1  在HyperLynx中仿真DDRx 系统	240
6.4.2  仿真结果的分析和解读	253
6.5  LPDDRx简介	254
第4篇  高速串行技术篇
第7章  高速串行差分信号设计及仿真分析	258
7.1  高速串行信号简介	259
7.1.1  数字信号总线时序分析	259
7.1.2  高速串行总线	262
7.1.3  Serdes的电路结构	264
7.1.4  Serdes的应用	265
7.2  高速串行信号设计	266
7.2.1  有损传输线和信号（预）加重	267
7.2.2  表面粗糙度对传输线损耗的影响	270
7.2.3  高频差分信号的布线和匹配设计	271
7.2.4  过孔的Stub效应	273
7.2.5  连接器信号分布	275
7.2.6  加重和均衡	276
7.2.7  码间干扰ISI和判决反馈均衡器DFE	278
7.2.8  AC耦合电容	281
7.2.9  回流路径的连续性	285
7.2.10  高速差分线的布线模式和串扰	286
7.2.11  紧耦合和松耦合	287
7.3  高速串行信号仿真分析	289
7.3.1  系统级仿真	289
7.3.2  S参数（Scattering parameters）	291
7.3.3  互连设计和S参数分析	294
7.3.4  检验S参数质量	300
7.3.5  S参数的使用	305
7.3.6  高速差分串行信号的仿真需求	306
7.3.7  IBIS-AMI模型介绍	308
7.3.8  HyperLynx AMI Wizard通道仿真分析	310
7.3.9  6Gbps，12Gbps！然后	313
7.4  抖动（Jitter）	314
7.4.1  认识抖动（Jitter）	315
7.4.2  实时抖动分析	316
7.4.3  抖动各分量的典型特征	318
第5篇  结束与思考篇
第8章  实战后的思考	324
术语和缩略词	329

再版前言
两年前，我出版了一本名为《高速电路系统设计与仿真分析：Cadence实例设计详解》的书。在该书中讲述了如何使用Cadence工具进行高速电路系统设计，以及利用仿真分析对设计进行指导和验证。此书出版之后，得到了很多读者积极的响应，同时也得到了很多读者建设性的反馈。其中有三条意见成为我再版此本书的重要理由：
	在上一版的书中，所介绍的 DDR设计技术略显过时，无论是DDR技术本身，还是设计难度现在都已经不具有挑战性。在不到一年的时间里，DDR2技术得到了广泛应用，基本取代了原来的DDR地位，而且DDR3也越来越多地出现在各种产品中。因此很多读者反映，希望能够介绍目前流行的DDR2或DDR3的设计方法和难点，以及如何利用现有的仿真工具完成对DDR系统的仿真和验证工作。
	对于电源完整性的仿真分析，业界一直停留在“指导”性的阶段，没有可以参照的工程可行的方法。因此，在本书中，结合HyperLynx的PI工具，详细讲述如何使用HyperLynx进行电源系统仿真的方法和流程，以及前仿和后仿的实施步骤。
	随着高性能系统的发展，几乎所有的高速数据接口都已经采用差分串行信号体制，正如我上一版书的预计，6Gbps系统已经普遍应用，越来越多的厂商开始在设计中尝试10Gbps技术。因此，在这本书中，希望介绍目前流行的高速差分串行技术的背景、信号特点和系统设计难度、仿真方法，以及丰富实践案例和经验。
诚然，在前一版书出版至今的一年时间之内，DDR2技术已经广泛应用于电子系统的各个领域，无论是高性能的大型电子系统还是精巧细致的手持设备。而高速差分信号的应用也从一年前的5Gbps发展到了10Gbps，几乎成为高速数据接口的唯一形式，成为目前越来越热的设计话题。也正是因为在如此高的信号频率下，信号的传播特征以及分析方法都完全不同于GHz以下的低频信号，因此，也确实有必要通过充实本书的内容，把这项技术传播给大家，让更多的工程师能够更快地掌握和应用这项技术。
除了上述再版理由，还有一个来自我自身的动力，就是通过上一版书的出版，以及和读者的后续交流中发现，国内的SI工程师正逐渐走向成熟，更多的工程师已经不满足于只是对于某个SI现象和处理方法的讨论和学习，他们更渴望得到清晰的理论知识和技术背景，因此在这本书里对一些SI现象的技术背景内容进行了更多的补充。
本书将继承前一版书的写作风格，在讲解各项技术以及信号/电源完整性的相关现象的同时，尽量以设计和仿真实例向读者展示所要说明的问题。但是和前一版书所不同的是，此书的所有实例将在Mentor公司的HyperLynx相关工具中实现。这样做的目的有二：一是因为应广大读者的需求，对Mentor用户群有所倾向；二是，Mentor的HyperLynx工具在高速电路的仿真分析中确实有独特的优势。而且，从目前业界发展的状态和趋势来看，无论是国际化IT行业领军的大公司、外企，还是国内企业，已经越来越多地抛弃原来的设计工具和流程，逐渐转向Mentor的设计环境和工具链。由于我本人所具有的一些特殊信息渠道，故已经看到或者感受到这种变化。
因此，从工程师的角度讲，我也想提醒广大电子行业的工程师，如果能敏锐地抓住机会，选择主流EDA设计工具，同时也可以增加自身的行业竞争力。无论从技术角度还是读者需求，此次的所有实例，都将基于Mentor的高速设计流程和环境。（关于Mentor的高速设计流程和工具变化以及发展趋势，将在最后一章对技术发展的展望和心得交流中做比较详细的介绍。）
邵    鹏    
2013年2月于北京
本书阅读指南
写作目的和读者对象
首先需要指出的是，本书是高速电路系统设计和仿真技术的实践总结和设计指导，而并不是一本高速电路理论研究书籍。因此，也就决定了本书中所提到的高速信号理论是前人研究成果的总结和借用。本书并不对这些理论进行详细的推导和研究，如果读者对这些高速信号理论感兴趣，请参阅与此相关的专业理论书籍。之所以要在本书中提及这些高速信号理论，是因为从全书结构上考虑，使读者在阅读本书的过程中，能够由浅入深、由理论指导到实践应用地进行循序渐进的学习，并对高速电路系统设计的一些技巧和方法有比较深刻的理解和掌握。
本书的目的是要使得电子系统设计工程师们能够更好地掌握高速电路系统设计的方法和技巧，跟上行业发展要求。因此，本书针对的对象是那些希望挑战高速电路系统设计的工程师，已经具备电子系统设计的基本知识和技能，而不是刚刚从事这个行业的技术人员。因为本书也不会从原理图符号的制作、PCB板元件的封装设计、板框设定、元件的布局和PCB板的布线等开始讲起，这些是被默认为阅读此书之前应该掌握的基本内容。
有必要多提一点的是，尽管我们能够在市面上，或者网上找到例如“……高速电路设计指南……”、“……高速PCB设计与仿真……”等类似或相近题目的书籍，然而浏览其目录内容便可得知，虽题目相近，但内容相去甚远，有些只是对EDA工具软件的操作和帮助文件进行了翻译，有些虽然提及了高速电路设计所需的工具和流程，但也仅限于软件的使用介绍，缺乏设计实例的设计分析过程和实践经验的指导。请读者自行甄别此类书籍与本书的区别。
最后，本书的实例实现是依托于Mentor的高速设计工具流程和环境，因此不可避免地在介绍实例的过程中，通过Mentor工具环境和Mentor仿真分析工具的使用来介绍设计实例，但它绝不是对软件工具介绍的简单翻译，本书更注重的是如何让读者通过工具的使用，自己动手，重复这个设计分析过程来掌握这些设计技术。另外，本书虽然以Mentor工具环境为依托来介绍高速电路系统的设计思想和方法，但这些思想和方法并不仅限于Mentor工具环境，经过适当的修改和重新配置，读者可以在其他工具中实现同样的设计。这一点，希望读者在阅读和参考此书的过程中能够体会到，而不是仅仅局限于本书提供的方法和经验。在借鉴这些方法和经验的基础上，我更希望看到读者能够将之发挥和扩充，从而在其他的仿真设计工具中解决新的问题。
内容组织
本书内容由简到难，由理论到实践，被划分为四大部分。
第1篇（第1章到第3章）基础理论篇
首先回顾了电子系统的设计发展过程，介绍了高速电路系统设计所面临的问题和挑战，然后阐述了高速信号的基本理论知识。此部分内容意在提醒读者在高速电路系统中遇到的新问题，以及解决这些问题所需的理论基础。这部分加入了笔者对于高速信号的理解和经验的总结，使得读者能够在较短的时间内，初步掌握高速电路设计的难点和设计方向，以及必备的理论基础知识。
第2篇（第4章到第5章）软件操作篇
介绍Mentor高速电路设计的工具和流程，也就是在Mentor工具环境中设计高速电路系统，应该遵循怎样的工作流程，选择哪些工具来完成各个阶段的设计任务，从而实现高速电路设计。
但是，在此提醒读者的是，这一章的内容，不是对Mentor工具使用手册的翻译，而是从一个较高的角度，向读者说明，要想在Mentor设计环境中实现高速设计，应该掌握Mentor的哪些工具，以及从哪些角度来学习和掌握这些工具。它并不是对Mentor软件手册的逐一翻译。如果读者需要逐一了解Mentor工具软件的每一项功能和使用方法，需要去寻找专门介绍工具使用的相关书籍，或者直接向Mentor公司咨询软件培训事宜。
第3篇（第6章）DDR系统仿真及案例实践篇
此部分是本书的重点之一。在本篇内容中，首先要带领读者学习DDR、DDR2和DDR3之间一脉相承的技术发展道路，以及它们之间的区别和它们相应的设计难点。在充分了解DDR技术的基础上，通过对一个DDR3存储模块的设计分析，结合第二部分介绍的软件流程和使用，一步一步地带领读者完成整个DDR3系统的仿真和设计工作，使读者能够在实际的操作过程中掌握软件的使用方法，建立高速电路设计的概念和工作方法，希望通过本章的学习，能够让读者在Mentor工具的辅助之下，不再对高速电路设计和复杂协议存有惧怕心理，让高速电路设计变得轻松。
第4篇（第7章）高速串行技术篇
本部分的内容，对正在快速发展并得到广泛应用的高速串行差分信号的分析与设计技术进行了讲解。由于近年来技术的发展，高速差分信号已经普遍应用于各种高速系统中，但是对于5Gbps以上的高速信号完整性的理解，以及和传统的仿真方法和设计流程的区别，使得5Gbps以上的高速差分系统的设计对于很多企业和工程师来说还是一个障碍。在本篇中，笔者首先介绍了对于高速差分系统进行信号仿真的方法和设计流程，不同于传统信号的处理方法以及需要重新考虑的因素；然后，结合在此领域的实际设计经验，给出了具体应对5Gbps以上的高速差分信号仿真方法的实践技巧，可作为读者在实际工作中的指导原则。
第5篇（第8章）结束与思考
本部分内容是笔者关于从事高速电路设计的心得和对技术发展的展望。

 书中出现这个标记的地方，是提醒读者注意的阅读重点，或者实践经验与技巧。

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