Cadence高速电路设计——Allegro Sigrity SI/PI/EMI设计指南（含CD光盘1张）

书籍目录

第1 章 信号完整性基础................................................................. 1

1.1 信号完整性问题............................................................................................................... 2

1.1.1 什么是信号完整性............................................................................................... 2

1.1.2 数字信号的时域和频域....................................................................................... 2

1.1.3 信号的质量........................................................................................................... 6

1.2 信号完整性分析的传输线理论..................................................................................... 10

1.2.1 传输线的定义..................................................................................................... 10

1.2.2 传输线理论基础与特征阻抗..............................................................................11

1.2.3 无损耗传输线模型............................................................................................. 12

1.2.4 有损耗传输线模型............................................................................................. 13

1.2.5 微带线和带状线................................................................................................. 15

1.2.6 S 参数简介.......................................................................................................... 17

1.2.7 电磁场求解方法简介......................................................................................... 19

1.3 传输线分析..................................................................................................................... 22

1.3.1 反射..................................................................................................................... 22

1.3.2 码间干扰............................................................................................................. 27

1.3.3 传输线与串扰..................................................................................................... 28

1.3.4 同步开关噪声..................................................................................................... 34

1.4 信号质量控制................................................................................................................. 35

1.4.1 阻抗匹配............................................................................................................. 35

1.4.2 差分线阻抗和差分线阻抗匹配......................................................................... 39

1.4.3 走线拓扑............................................................................................................. 45

1.5 信号完整性分析所用器件模型简介.................................................... 48

1.6 信号完整性仿真分析..................................................................................................... 51

1.6.1 传输线阻抗与反射分析..................................................................................... 52

1.6.2 匹配和传输线层叠结构..................................................................................... 57

1.6.3 多负载菊花链..................................................................................................... 59

1.6.4 串扰..................................................................................................................... 60

1.6.5 DDR3 信号质量问题及仿真解决案例.............................................................. 61

1.6.6 走线阻抗/耦合检查............................................................................................ 67

参考文献......................................................................................... 73

第2 章 电源完整性设计原理与仿真分析............................................. 74

2.1 电源完整性基本原理..................................................................................................... 74

2.1.1 电源噪声形成机理及危害................................................................................. 75

2.1.2 电源分配系统构成部件..................................................................................... 81

2.1.3 去耦电容特性..................................................................................................... 82

2.1.4 VRM 模块........................................................................................................... 89

2.1.5 电源/地平面........................................................................................................ 92

2.1.6 PDN 的频域分析................................................................................................ 95

2.1.7 时域分析方法................................................................................................... 100

2.1.8 直流压降与通流问题....................................................................................... 104

2.1.9 电热混合仿真................................................................................................... 108

2.2 电源分配网络交流分析................................................................................................112

2.2.1 板级电源完整性设计分析工具及案例.............................................................112

2.2.2 板级电源阻抗分析............................................................................................115

2.2.3 平面谐振分析................................................................................................... 121

2.2.4 利用SPEED2000 进行时域电源噪声分析..................................................... 124

2.3 电源分配网络去耦电容优化....................................................................................... 127

2.3.1 去耦电容的回路电感....................................................................................... 127

2.3.2 优化方案示例——成本最低............................................................................ 129

2.3.3 早期去耦方案规划........................................................................................... 132

2.3.4 去耦方案What-if 分析..................................................................................... 137

2.4 电源分配网络直流分析............................................................................................... 138

2.4.1 直流仿真分析................................................................................................... 139

2.4.2 电热混合仿真分析........................................................................................... 145

2.5 用Allegro Sigrity PI Base 进行电源设计和分析........................................................ 149

2.5.1 直流设计和分析............................................................................................... 149

2.5.2 规则驱动的去耦电容设计方法....................................................................... 153

参考文献................................................................................ 156

第3 章 高速时钟同步系统设计...................................................... 157

3.1 共同时钟系统原理介绍............................................................................................... 157

3.1.1 共同时钟系统工作原理................................................................................... 157

3.1.2 时序参数........................................................................................................... 158

3.1.3 共同时钟系统时序分析................................................................................... 163

3.2 用SigXplorer 进行共同时钟系统时序仿真................................................................ 166

3.2.1 飞行时间仿真分析........................................................................................... 167

3.2.2 计算时序裕量................................................................................................... 172

3.2.3 保持时间时序裕量分析................................................................................... 173

参考文献..................................................................... 173

第4 章 高速DDRx 总线系统设计............................................... 174

4.1 高速DDRx 总线概述................................................................................................... 174

4.1.1 DDRx 发展简介................................................................................................ 174

4.1.2 Bank、Rank 及内存模块................................................................................. 176

4.1.3 接口逻辑电平................................................................................................... 178

4.1.4 片上端接ODT.................................................................................................. 181

4.1.5 Slew Rate Derating............................................................................................ 185

4.1.6 Write Leveling ................................................................................................... 187

4.1.7 DDR4 的VrefDQ Training ............................................................................... 188

4.2 源同步时钟、时序....................................................................................................... 188

4.2.1 什么是源同步时钟........................................................................................... 188

4.2.2 源同步时序计算方法....................................................................................... 189

4.2.3 影响源同步时序的因素................................................................................... 194

4.3 DDRx 信号电源协同仿真和时序分析流程................................................................ 196

4.3.1 DDRx 接口信号的时序关系............................................................................ 196

4.3.2 使用SystemSI 进行DDR3 信号仿真和时序分析实例.................................. 197

4.4 DDRx 系统常见问题案例分析.................................................................................... 228

4.4.1 DDR3 拓扑结构规划：Fly-by 拓扑还是T 拓扑............................................ 229

4.4.2 容性负载补偿................................................................................................... 231

4.4.3 Fly-by 的Stub 评估.......................................................................................... 235

参考文献......................................................... 238

第5 章 高速串行总线..................................................... 239

5.1 常见高速串行总线标准一览....................................................................................... 239

5.1.1 芯片到芯片的互连通信................................................................................... 240

5.1.2 通用外设连接总线标准——USB 3.0 总线/接口............................................ 246

5.1.3 存储媒介总线/接口.......................................................................................... 248

5.1.4 高清视频传输总线........................................................................................... 249

5.1.5 光纤、以太网高速串行总线........................................................................... 252

5.2 高速串行通道之技术分析........................................................................................... 256

5.2.1 高速收发I/O 口................................................................................................ 257

5.2.2 均衡器及预加重/去加重.................................................................................. 258

5.2.3 AMI 模型接口.................................................................................................. 263

5.2.4 码型编码及DC 平衡........................................................................................ 263

5.2.5 判决指标：眼图分析、误码率、浴盆曲线.................................................... 265

5.3 通道传输指标分析....................................................................................................... 267

5.3.1 通道混模S 参数分离....................................................................................... 268

5.3.2 通道冲击响应................................................................................................... 271

5.3.3 通道信噪比分析............................................................................................... 272

5.3.4 通道储能特性分析（码间干扰ISI）.............................................................. 274

5.4 高速串行通道精细化建模........................................................................................... 276

5.4.1 过孔建模........................................................................................................... 276

5.4.2 特殊角度走线................................................................................................... 281

5.4.3 长度（相位）偏差控制................................................................................... 285

XIV │ Cadence 高速电路设计——Allegro Sigrity SI/PI/EMI 设计指南

5.5 高速串行通道系统仿真案例....................................................................................... 287

5.5.1 芯片封装及PCB 板上信号模型提取.............................................................. 288

5.5.2 建立信号链路拓扑........................................................................................... 295

5.5.3 时域通道分析................................................................................................... 301

5.5.4 统计通道分析................................................................................................... 303

5.6 高速串行通道系统设置调节....................................................................................... 306

5.6.1 滤波电容效应................................................................................................... 306

5.6.2 电源噪声注入有无影响分析........................................................................... 307

5.6.3 电源噪声强弱影响扫描分析........................................................................... 308

5.6.4 抖动和噪声影响扫描分析................................................................................311

5.7 高速串行通道工程实例............................................................................................... 312

参考资料............................................................................ 316

第6 章 电磁兼容设计原理和方法.......................................................... 317

6.1 EMC/EMI 概述............................................................................................................. 317

6.1.1 电磁兼容的基本概念....................................................................................... 317

6.1.2 电磁兼容相关标准概要................................................................................... 323

6.1.3 接地设计原理................................................................................................... 324

6.1.4 屏蔽设计原理................................................................................................... 326

6.1.5 滤波设计原理................................................................................................... 328

6.2 板级和系统级EMC 设计基本方法............................................................................. 330

6.2.1 板级EMC 设计的重要性................................................................................. 330

6.2.2 板级EMC 与SI/PI 的关系.............................................................................. 330

6.2.3 板级EMC 控制的常用方法............................................................................. 330

6.2.4 系统级EMC 设计基本方法............................................................................. 333

6.2.5 EMC 仿真算法简介.......................................................................................... 334

6.3 Cadence/Sigrity 仿真工具在EMI 分析中的应用........................................................ 335

6.3.1 SI/PI/EMI 仿真分析工具介绍.......................................................................... 335

6.3.2 Cadence 的EMI 仿真分析实例....................................................................... 336

6.3.3 SPEED2000 在EMI 仿真中的应用................................................................ 338

6.3.4 PowerSI 在EMI 仿真中的应用....................................................................... 348

6.3.5 OptimizePI 在EMI 仿真中的应用................................................................... 352

参考文献.................................................................... 358

第7 章 信号完整性与电源完整性测试...................................................... 359

7.1 10Gbps 以上数字系统中信号完整性测量综述.......................................................... 359

7.1.1 背景................................................................................................................... 359

7.1.2 10Gbps 以上高速背板测量.............................................................................. 362

7.1.3 10Gbps 以上SerDes 信号品质测量................................................................. 364

7.1.4 工业标准总线测试........................................................................................... 366

7.1.5 供电网络的测量............................................................................................... 367

7.1.6 时钟测量........................................................................................................... 369

7.1.7 其他测试........................................................................................................... 369

7.1.8 小结................................................................................................................... 370

7.2 抖动测量....................................................................................................................... 371

7.2.1 测量背景简介................................................................................................... 371

7.2.2 抖动的定义及抖动与相位噪声、频率噪声的关系........................................ 371

7.2.3 周期抖动、周期间抖动和TIE ........................................................................ 372

7.2.4 抖动成分的分解及各个抖动成分的特征及产生原因.................................... 373

7.2.5 使用浴盆曲线和双狄拉克模型预估总体抖动................................................ 379

7.2.6 高级抖动溯源分析方法................................................................................... 379

7.2.7 抖动传递函数及其测量................................................................................... 381

7.2.8 50fs 级参考时钟抖动的测量技术.................................................................... 382

7.2.9 抖动测量仪器总结........................................................................................... 386

7.3 眼图测量.................................................................. 386

7.3.1 眼图概念........................................................................................................... 386

7.3.2 眼图模板........................................................................................................... 388

7.3.3 眼图测试对仪器的要求................................................................................... 389

7.3.4 眼图测试中的时钟恢复................................................................................... 390

7.3.5 眼图参数的定义............................................................................................... 391

7.3.6 有问题眼图的调试........................................................................................... 395

7.4 PCB 阻抗测量............................................................................................................... 397

7.4.1 PCB 阻抗测试方案及原理............................................................................. 397

7.4.2 TDR 测量仪器系统的校准.............................................................................. 404

7.4.3 TDR 分辨率的概念.......................................................................................... 406

7.4.4 PCB 阻抗测量操作流程................................................................................... 407

7.4.5 TDR 测量仪器静电防护.................................................................................. 416

7.4.6 对TDR 测量的其他说明................................................................................. 419

7.5 电源完整性测量........................................................................................................... 422

7.5.1 电源完整性测量对象和测量内容................................................................... 422

7.5.2 电源纹波和噪声测量....................................................................................... 422

7.5.3 PDN 输出阻抗和传输阻抗测量...................................................................... 424

7.5.4 消除电缆屏蔽层环路误差............................................................................... 425

7.5.5 校准过程和参考件........................................................................................... 427

7.5.6 电路板系统级PDN 测量................................................................................. 428

7.5.7 小结................................................................................................................... 430

7.6 DDR 总线一致性测量.................................................................................................. 430

7.6.1 工业标准总线一致性测量概述....................................................................... 430

7.6.2 DDR 总线概览.................................................................................................. 433

7.6.3 DDR 时钟总线的一致性测试.......................................................................... 433

7.6.4 DDR 地址、命令总线的一致性测试.............................................................. 435

7.6.5 DDR 数据总线的一致性测试.......................................................................... 436

7.6.6 DDR 总线一致性测试对示波器带宽的要求.................................................. 439

7.6.7 自动化一致性测试........................................................................................... 440

7.6.8 DDR 一致性测试探测和夹具.......................................................................... 441

7.6.9 小结................................................................................................................... 441

7.7 参考文献.................................................................................. 441

第8 章 芯片级全流程仿真分析.............................................................. 444

8.1 芯片级全流程仿真的意义........................................................................................... 444

8.2 芯片级系统仿真的要点............................................................................................... 445

8.3 模型的准备................................................................................................................... 447

8.3.1 晶体管模型和IBIS 模型.................................................................................. 447

8.3.2 芯片金属层模型............................................................................................... 448

8.3.3 封装模型........................................................................................................... 454

8.3.4 PCB 模型........................................................................................................... 458

8.4 并行总线和串行信道的仿真....................................................................................... 458

8.4.1 并行总线仿真................................................................................................... 458

8.4.2 信道仿真........................................................................................................... 460

8.5 芯片封装PCB 的电源完整性...................................................................................... 460

8.5.1 芯片-封装-PCB 的直流压降............................................................................ 463

8.5.2 芯片-封装-PCB 的交流阻抗分析.................................................................... 466

8.6 芯片-封装-PCB 热设计................................................................................................ 466

参考文献................................................................................. 475

作者简介

《Cadence高速电路设计——Allegro Sigrity SI/PI/EMI设计指南》主要介绍信号完整性、电源完整性和电磁兼容方面的基本理论和设计方法，并结合实例，详细介绍了如何在Cadence Allegro Sigrity 仿真平台完成相关仿真并分析结果。同时，在常见的数字信号高速电路设计方面，《Cadence高速电路设计——Allegro Sigrity SI/PI/EMI设计指南》详细介绍了同步系统、DDRx（源同步系统）和高速串行传输的特点，以及运用Cadence Allegro Sigrity 仿真平台的分析流程及方法。《Cadence高速电路设计——Allegro Sigrity SI/PI/EMI设计指南》还介绍了常用的信号完整性和电源完整性的相关测试手段及方法，简要介绍了从芯片、封装到电路板的系统级仿真设计方法。

《Cadence高速电路设计——Allegro Sigrity SI/PI/EMI设计指南》特点是理论和实例相结合，并且基于Cadence Allegro Sigrity 的设计平台，使读者可以在软件的实际操作过程中，理解各方面的高速电路设计理念，同时熟悉仿真工具和分析流程，发现相关的问题并运用类似的设计、仿真方法去解决。

《Cadence高速电路设计——Allegro Sigrity SI/PI/EMI设计指南》适合从事芯片、封装、电路板设计及数字电路硬件设计的人员参考学习。

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