在大數(shù)據(jù)時代，無論是數(shù)據(jù)中心的解決方案、汽車與工業(yè)設(shè)備，還是日常消費電子產(chǎn)品，各類設(shè)備的信號傳輸速率正以前所未有的速度提升。以PCIe 6.0為例，其傳輸速率已高達(dá)64Gbps；USB4緊隨其后，達(dá)到了40Gbps的速度；而并行總線DDR5也實現(xiàn)了每秒6.4Gbps的驚人速率。與此同時，高速總線的調(diào)制方式已經(jīng)從傳統(tǒng)的NRZ演進(jìn)至PAM4，甚至探索更高階的調(diào)制技術(shù)。此外，隨著CCIX、GenZ、CXL等新型總線技術(shù)的涌現(xiàn)，工程師們面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

如何提高PCB設(shè)計的成功率和效率，已成為工程師工作的重中之重。減少因返工造成的項目延期和成本增加，通過高速鏈路仿真優(yōu)化設(shè)計過程，逐漸成為工程界關(guān)注的焦點。這種仿真方法不僅有助于應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，而且能夠顯著提升設(shè)計項目的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)表現(xiàn)。

高速PCB設(shè)計流程包含以下幾個步驟：

與傳統(tǒng)PCB設(shè)計相比，高速PCB設(shè)計在原理圖設(shè)計階段以及布線完成后都需要進(jìn)行信號與電源完整性分析。在原型機測試階段需要加入相應(yīng)的信號與電源完整性測試。

是德科技的先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)（Advanced Design System，ADS）軟件是一個完整的高速電路仿真設(shè)計平臺，提供了完整的信號與電源完整性仿真解決方案。接下來我們從原理圖設(shè)計、版圖設(shè)計兩個角度進(jìn)行描述。

原理圖設(shè)計

在ADS原理圖環(huán)境中，有三種仿真器可以用于信號完整性的仿真和分析：

一、S參數(shù)仿真器

無論是在信號完整性還是電源完整性的領(lǐng)域中，S參數(shù)被廣泛用于表征多種器件的特性，包括芯片封裝、傳輸線、過孔、連接器、線纜及電容等無源元件。對于一個完整的通道設(shè)計來說，往往需要對多個S參數(shù)進(jìn)行級聯(lián)處理。在ADS（Advanced Design System）軟件中，用戶可以非常便捷地實現(xiàn)各類S參數(shù)的級聯(lián)，并靈活執(zhí)行S參數(shù)仿真以及數(shù)據(jù)處理。

針對單個S參數(shù)，ADS提供了直觀的S參數(shù)查看器（S-parameter Viewer），使用戶能夠輕松檢查單端和混合模式下的S參數(shù)結(jié)果。此外，該查看器還支持驗證S參數(shù)的無源性、互易性、相位關(guān)系，并展示Smith圖，為工程師提供全面的數(shù)據(jù)分析視角。完成S參數(shù)仿真后，在數(shù)據(jù)顯示窗口中，用戶不僅能查看仿真結(jié)果曲線，還能進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，如應(yīng)用規(guī)范模板等操作。

通過S參數(shù)仿真的應(yīng)用，工程師能夠在頻域中詳細(xì)分析通道的插入損耗（insertion loss）、回波損耗（return loss）、串?dāng)_（crosstalk）等關(guān)鍵性能指標(biāo)，有效提升設(shè)計的準(zhǔn)確性和可靠性。這種方法不僅簡化了復(fù)雜通道的設(shè)計流程，也為優(yōu)化產(chǎn)品性能提供了強有力的支持。

二、瞬態(tài)仿真器(Transient)

瞬態(tài)仿真是時域仿真中的一種經(jīng)典方法，能夠?qū)Χ喾N重要參數(shù)進(jìn)行分析，包括時域反射（TDR）、波形的上升和下降時間（Waveform rising/falling）、振鈴現(xiàn)象（Ringing），以及眼圖（Eye Pattern）等。在瞬態(tài)仿真過程中，可以將芯片的輸入/輸出模型（如SPICE或IBIS模型）與通道模型結(jié)合在一起進(jìn)行綜合仿真。這種方法使得工程師能夠全面評估整個信號路徑的性能，優(yōu)化設(shè)計以確保信號完整性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，并有效解決高速電路設(shè)計中的潛在問題。通過這種仿真手段，不僅提升了設(shè)計效率，還增強了對復(fù)雜電路行為的理解和預(yù)測能力。

三、通道(Channel)仿真器

對于高速串行總線而言，通常對誤碼率（BER）有著極為嚴(yán)格的要求，目標(biāo)是將誤碼率降至極低水平。因此，在仿真和測試過程中，需要大量的采樣點或采用特定的數(shù)學(xué)算法以滿足精確分析誤碼率的需求。隨著信號傳輸速率的持續(xù)攀升，僅依賴芯片的基本驅(qū)動能力已無法克服信號在傳輸過程中不可避免的衰減問題。為此，高速串行總線的芯片設(shè)計中引入了加重和均衡算法，以提升信號質(zhì)量。

在仿真領(lǐng)域，這種趨勢推動了新的分析方法的發(fā)展，特別是利用ADS中的通道仿真（ChannelSim）工具。完成通道仿真后，用戶能夠在數(shù)據(jù)顯示窗口查看包括波形、浴盆曲線（Bathtub Curve）、眼圖（Eye Pattern）在內(nèi)的多種結(jié)果，以便全面評估信號完整性。此外，IBIS-AMI模型或行為級IO模型可應(yīng)用于通道仿真中，為設(shè)計提供更精確的參考。若需建立IBIS-AMI模型，可以借助是德科技提供的SystemVue及ADS等系統(tǒng)仿真軟件來實現(xiàn)。

PCB的仿真

一、SIPro/PIPro仿真分析工具

ADS的版圖設(shè)計環(huán)境集成了全新的SIPro和PIPro仿真分析工具，為工程師提供了一種快速高效的方法來完成PCB設(shè)計中的信號完整性（SI）和電源完整性（PI）的布局分析及后布局仿真。SIPro和PIPro作為嵌入于ADS版圖設(shè)計環(huán)境中的功能模塊，擁有獨立的用戶界面和仿真引擎，能夠直接對版圖設(shè)計進(jìn)行精確分析。

此外，ADS版圖設(shè)計環(huán)境支持多種設(shè)計文件格式的導(dǎo)入，包括但不限于ODB++、Gerber、IFF、EGS和Allegro Brd等，極大地提高了設(shè)計流程的靈活性和兼容性。這種集成解決方案不僅簡化了復(fù)雜PCB設(shè)計項目的管理，還促進(jìn)了從概念到成品的無縫過渡，確保了設(shè)計在電氣性能上的優(yōu)越表現(xiàn)。通過使用這些先進(jìn)的工具，工程師可以更自信地面對日益復(fù)雜的電路設(shè)計挑戰(zhàn)，同時提高工作效率和設(shè)計質(zhì)量。

SIPro/PIPro 包含以下功能：

1. PI-DC，用于直流電壓降分析

由于過大的直流電壓降，可能導(dǎo)致供電至IC電源端的電壓低于其推薦的最低工作電壓，從而引發(fā)IC故障。同時，如果過孔處的電流密度過高，可能會產(chǎn)生過多熱量，造成電路板損壞或燒毀，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。為解決這些問題，PI-DC分析工具能夠計算在直流條件下的電壓分布、電流流動、IR Drop（電壓降）以及電源分配網(wǎng)絡(luò)的功率損耗密度等關(guān)鍵參數(shù)。

借助PIPro工具，工程師可以有效識別芯片及其他組件在直流工作條件下的管腳和連接過孔的電流密度，確保設(shè)計的安全性和可靠性。PIPro還能顯示芯片管腳的實際電壓，并提供與推薦值對比的設(shè)計裕量分析，幫助工程師評估設(shè)計風(fēng)險。此外，仿真結(jié)果能夠自動生成詳細(xì)的報告，便于團(tuán)隊成員之間的溝通和文檔記錄。這些功能共同助力工程師優(yōu)化設(shè)計，預(yù)防潛在問題，提高產(chǎn)品的整體性能和穩(wěn)定性。

2. PI-AC，用于 PDN 阻抗分析

PI-AC分析工具用于評估電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）的交流阻抗特性，并能可視化顯示電流密度，幫助識別潛在的熱點區(qū)域。通過PI-AC，提取出的阻抗網(wǎng)絡(luò)可以直接轉(zhuǎn)換為ADS原理圖，進(jìn)而與電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）模型及去耦電容進(jìn)行優(yōu)化整合。這項功能支持在仿真過程中添加多種元件模型，包括但不限于理想集總元件、S參數(shù)模型、元器件廠家提供的模型庫以及自定義電路模型等。

用戶可以為單個元件定義多種不同的模型，并輕松地在這些模型之間切換，以適應(yīng)不同的仿真需求。PI-AC分析還支持一次性對任意數(shù)量指定的電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，僅需更換元件模型即可快速獲取新的仿真結(jié)果，而無需重復(fù)執(zhí)行電磁仿真流程。這種靈活性和高效性不僅加快了設(shè)計進(jìn)程，還提升了對復(fù)雜電源系統(tǒng)設(shè)計的理解和優(yōu)化能力，確保電源分配網(wǎng)絡(luò)能夠在不同條件下保持最佳性能。

3. PPR（Power Plane Resonance Analysis），用于電源平面諧振分析

電源平面諧振可能對敏感的模擬電路造成干擾，并產(chǎn)生過量的電磁輻射，這將導(dǎo)致設(shè)計難以滿足電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn)。通過電源平面諧振分析，可以計算出配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的自諧振頻率及其對應(yīng)的Q值，從而為設(shè)計提供關(guān)鍵參數(shù)支持。

4.用于電熱聯(lián)合仿真的Electro-Thermal以及熱仿真分析Thermal

在電源完整性分析中，還集成了電熱仿真功能，實現(xiàn)了電力與熱效應(yīng)的協(xié)同仿真。這一過程首先通過電源完整性仿真引擎（DC Drop）對電源分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)仿真，以計算功率密度，并將這些數(shù)據(jù)傳遞給熱分析器。接著，熱分析器依據(jù)器件的功耗情況執(zhí)行熱分析，評估溫度分布。系統(tǒng)會多次迭代這個過程，持續(xù)更新溫度值，直到仿真結(jié)果收斂。

5.Power-Aware Signal Integrity Analysis——用于與電源相關(guān)的信號完整性分析

平面。如果在提取信號走線的S參數(shù)時僅考慮參考地平面而忽略了電源平面，會導(dǎo)致仿真結(jié)果出現(xiàn)顯著誤差。為解決這一問題，SIPro采用了一種獨特的混合算法，能夠迅速且準(zhǔn)確地提取包括過孔在內(nèi)的信號走線與地平面及電源平面之間的頻域模型。

該頻域模型可以直接轉(zhuǎn)換成ADS原理圖，適用于多種電路仿真類型，如時域瞬態(tài)仿真（Transient）、通道仿真（Channel）、DDR總線仿真等。這種方法確保了仿真的精確性，使設(shè)計人員能夠在設(shè)計初期就識別并解決潛在的信號完整性問題。

6. CEMI（Conducted EMI），用于PCB 電源傳導(dǎo)仿真分析

隨著在電子產(chǎn)品中往往需要進(jìn)行 EMC 的檢測分析，傳導(dǎo)就是 EMC 的一種。為了更好的發(fā)現(xiàn)、避免以及解決傳導(dǎo)的問題。在 PIPro 中可以利用 CEMI 對電路進(jìn)行傳導(dǎo)的仿真分析。

7. 阻抗快速掃描

SIPro和PIPro的仿真速度相較于傳統(tǒng)的平面或3D電磁場仿真器提升了10倍以上，同時保持了極高的仿真精度，能夠與采用3D有限元法的仿真結(jié)果相媲美。這兩款工具擁有用戶友好的界面，簡化了仿真流程，并能輕松生成ADS原理圖以供電路分析使用。

它們支持對非規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，并提供便捷的Back drill過孔設(shè)置功能，同時還允許用戶靈活定義信號端、電源端及參考端。此外，SIPro和PIPro配備了Python接口，使得電容模型庫的管理更為簡便高效。完成仿真后，SIPro/PIPro還能生成測試平臺（test bench），方便用戶在ADS原理圖中進(jìn)一步開展電路分析。

總的來說，SIPro和PIPro為電路設(shè)計師提供了高效、精準(zhǔn)且靈活的仿真解決方案，極大地提高了設(shè)計效率和靈活性，是現(xiàn)代電子設(shè)計不可或缺的利器。這些工具不僅加快了產(chǎn)品開發(fā)周期，還確保了最終產(chǎn)品的性能和可靠性。

二、EP-Scan電氣性能掃描軟件

SIPro和PIPro功能強大，特別適合專業(yè)的信號完整性分析師使用。然而，在設(shè)計階段，硬件工程師、PCB設(shè)計工程師以及測試工程師同樣需要關(guān)注信號與電源完整性問題。為了幫助這些工程師在布線完成后快速檢測系統(tǒng)的電氣性能，并及時發(fā)現(xiàn)初步的SI（信號完整性）或PI（電源完整性）問題，是德科技推出了EP-Scan（Electrical Performance Scan）電氣性能掃描軟件。

借助EP-Scan，硬件相關(guān)的工程師只需進(jìn)行簡單的操作即可快速掃描并查看信號的電氣特性，識別潛在的信號完整性問題。這種簡便性使得非專業(yè)人員也能輕松上手，有效提升了設(shè)計流程中的效率和問題發(fā)現(xiàn)速度。當(dāng)然，對于更為復(fù)雜的信號完整性挑戰(zhàn)，仍需依賴SI工程師的專業(yè)知識和技術(shù)，通過SIPro和PIPro進(jìn)行深入分析和仿真來解決這些問題。

總的來說，EP-Scan為硬件工程師們提供了一個快捷、直觀的工具，用于初步評估和檢測SI與PI問題，而SIPro和PIPro則為深入研究和優(yōu)化提供了強有力的支持，二者相輔相成，共同促進(jìn)了電子產(chǎn)品的高效設(shè)計與開發(fā)。

EP-Scan可以通過簡單的三個步驟解決信號完整性分析中的瓶頸問題。

1.

使用EP-Scan，加載PCB布局設(shè)計或?qū)隣DB++文件變得輕而易舉。接著，您可以選擇特定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。更出色的是，您還可以為選定的網(wǎng)絡(luò)制定測試計劃，并選擇適用的電氣規(guī)范（EP-Scan內(nèi)置了多種標(biāo)準(zhǔn)電氣規(guī)范，如PCIe、USB、DDR等）。根據(jù)所選的電氣規(guī)范，可以對阻抗、延時、插入損耗和回波損耗等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.

進(jìn)行電氣性能掃描的過程非常簡便，只需一鍵點擊即可運行所有預(yù)設(shè)的測試計劃。每當(dāng)設(shè)計有更新時，您都可以自動重新運行EP-Scan中預(yù)先設(shè)定的測試計劃，以便快速檢查信號完整性問題并獲得即時反饋。這種方法使得在設(shè)計修改后能夠迅速驗證其穩(wěn)定性和可靠性，確保每一次調(diào)整都不會引入新的問題。

3.

在完成信號完整性分析后，EP-Scan提供了一鍵生成詳細(xì)報告的功能，極大地簡化了結(jié)果展示和存檔流程，避免了繁瑣的手動復(fù)制粘貼工作。通過這一功能，您可以輕松分享分析結(jié)果給團(tuán)隊成員或管理層，并記錄設(shè)計的進(jìn)展與改進(jìn)情況。

通過這三個簡單的步驟，EP-Scan為硬件工程師提供了一款便捷高效的工具，極大地簡化了分析流程，節(jié)省了寶貴的時間和精力。它有效地突破了性能驗證的瓶頸，使您能夠?qū)⒏嘧⒁饬性谠O(shè)計的優(yōu)化和改進(jìn)上，從而更快地將產(chǎn)品推向市場。利用EP-Scan，不僅提高了工作效率，還加速了創(chuàng)新過程，確保您的設(shè)計在滿足高標(biāo)準(zhǔn)的同時，也能迅速響應(yīng)市場需求。

EP-Scan 生成的測試報告

在上述內(nèi)容中，我們簡要探討了大數(shù)據(jù)時代對高速PCB設(shè)計帶來的挑戰(zhàn)，并說明了如何利用ADS和EP-Scan這兩種工具提升設(shè)計工程師的工作效率。值得注意的是，大數(shù)據(jù)時代的來臨不僅對高速PCB設(shè)計提出了更高的要求，同時也為設(shè)計師們帶來了更加優(yōu)越的協(xié)同工作環(huán)境。

在這個背景下，云計算技術(shù)顯得尤為重要，尤其是在工程領(lǐng)域需要快速生成仿真報告的情況下。通過釋放計算資源的強大算力，可以更充分地發(fā)揮仿真工具的潛力。ADS提供的HPC（高性能計算）加速服務(wù)顯著提升了工程計算的速度，使得設(shè)計團(tuán)隊能夠在最短時間內(nèi)獲取仿真結(jié)果，進(jìn)而提高項目的產(chǎn)出效率。

此外，使用Cliosoft等工具，設(shè)計團(tuán)隊能夠在云平臺上實時共享設(shè)計文件、模型和數(shù)據(jù)，支持多地協(xié)同設(shè)計。這種方式極大地加快了設(shè)計流程，增強了團(tuán)隊合作的效率?？偟膩碚f，大數(shù)據(jù)時代通過提供先進(jìn)的計算能力和高效的協(xié)作平臺，不僅提高了高速PCB設(shè)計的復(fù)雜度和要求，也為解決這些問題提供了強有力的支持，推動了整個行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。