文檔背景

在現代電子硬件設計中，信號完整性（Signal Integrity，SI）和電源完整性（Power Integrity，PI）是確保設備性能和可靠性的重要因素。隨著電子設備的頻率不斷提高，電路的復雜度也日益增加，信號和電源的完整性問題變得尤為突出。Altium Designer（后簡稱AD）作為一款功能強大的電子設計自動化軟件，提供了豐富的工具和功能，幫助工程師在硬件設計中解決信號完整性與電源完整性問題。本文將詳細介紹 AD 在硬件設計中的信號與電源完整性應用，幫助工程師們更好地理解和應用這些技術，提高硬件設計的質量和性能。

信號完整性技術

阻抗匹配

1. 定義 ：阻抗匹配是指在信號傳輸過程中，使信號源的輸出阻抗與傳輸線的特性阻抗相匹配，以減少信號反射和失真，提高信號傳輸效率和質量。

2. 重要性 ：在高速信號傳輸中，阻抗不匹配會導致信號反射，反射信號會與原信號疊加，產生信號失真，影響信號的完整性。例如，在 DDR 內存接口中，如果阻抗不匹配，會導致數據傳輸錯誤，降低系統性能。

3. 實現方法 ：在 AD 中，可以通過以下步驟實現阻抗匹配：

■ 調整傳輸線特性阻抗 ：在 PCB 設計中，通過調整微帶線或帶狀線的寬度、厚度和介電常數來實現特性阻抗的匹配。例如，對于 50Ω 的微帶線，可以通過調整線寬和介質厚度來實現阻抗匹配。圖1

■ 使用終端電阻 ：在信號源或接收端添加終端電阻，以實現阻抗匹配。在 AD 中，可以通過放置電阻元件并設置其阻值來實現終端電阻的添加。

圖1

信號布線

1. 差分布線 ：差分布線是一種常用的信號布線方式，通過將兩個信號線緊密耦合在一起，形成差分信號對，以提高信號的抗干擾能力和傳輸效率。在 AD 中，可以通過以下步驟實現差分布線：

■ 創建差分信號對 ：在原理圖設計中，將兩個信號線定義為差分信號對。可以通過在信號線的屬性中設置 “Differential Pair” 參數來實現。

圖2

■ 設置差分布線規則 ：在 PCB 設計中，設置差分布線的布線規則，如線寬、線距、耦合長度等。可以通過在 “Rules” 面板中添加 “Differential Pair Routing” 規則來實現。

圖3

○ 屏蔽布線 ：屏蔽布線是通過在信號線周圍添加屏蔽層，將信號線與外界電磁干擾隔離，提高信號的抗干擾能力。在 AD 中，可以通過以下步驟實現屏蔽布線：

■ 創建屏蔽層 ：在 PCB 設計中，創建一個屏蔽層，可以是一個獨立的銅層或地層。可以通過在 “Layers” 面板中添加一個新的層來實現。

圖4

■ 設置屏蔽布線規則 ：設置屏蔽布線的規則，如屏蔽層與信號線的距離、屏蔽層的連接方式等。可以通過在 “Rules” 面板中添加 “Shielding” 規則來實現。

信號完整性分析

1. 定義 ：信號完整性分析是指在硬件設計階段，通過仿真和測試等手段，對信號的傳輸特性進行分析和評估，以確保信號的完整性和系統的可靠性。

2. 方法 ：在 AD 中，可以通過以下步驟進行信號完整性分析：

■ 使用仿真工具 ：AD 內置了信號完整性仿真工具，如 Simulate 等。可以通過在 面板菜單中選擇相應的仿真工具來打開。

圖5

■ 設置仿真參數 ：在仿真工具中，設置仿真參數，如信號源、負載、傳輸線特性等。可以通過在仿真工具的設置面板中進行設置。

■ 運行仿真 ：設置好仿真參數后，運行仿真。仿真工具會生成信號的傳輸特性曲線，如反射系數、串擾系數等。

■ 分析仿真結果 ：根據仿真結果，分析信號的傳輸特性，評估信號的完整性和系統的可靠性。可以通過在仿真工具的結果面板中查看仿真結果。

電源完整性技術

電源分配

1. 定義 ：電源分配是指在硬件設計中，合理規劃電源的供應和分配，確保各個模塊和元器件能夠獲得穩定的電源供應。

2. 重要性 ：電源分配的合理性直接影響到系統的穩定性和性能。如果電源分配不合理，會導致電源噪聲、電源波動等問題，影響信號的完整性和系統的可靠性。

3. 實現方法 ：在 AD 中，可以通過以下步驟實現電源分配：

■ 創建電源層和地層 ：在 PCB 設計中，創建電源層和地層。可以通過在 “Layers” 面板中添加新的層來實現。和前文的創建屏蔽層其實類似，簡單來說就是屏蔽層可以用鋪銅連接地，電源層則是鋪銅全連接電源。

■ 設置電源分配規則 ：設置電源分配的規則，如電源層和地層的連接方式、電源線的寬度等。可以通過在 “Rules” 面板中添加 “Power Plane” 規則來實現。圖6

■ 添加電源元件 ：在原理圖設計中，添加電源元件，如電源芯片、電容等。可以通過在元件庫中選擇相應的元件并放置在原理圖中來實現。（圖中添加電容濾波）

圖7

電源濾波

1. 定義 ：電源濾波是指在電源供應電路中，通過濾波器等元件，濾除電源中的高頻噪聲和紋波，提高電源的穩定性和純凈度。

2. 重要性 ：電源濾波可以有效減少電源噪聲對信號的干擾，提高信號的完整性和系統的可靠性。在高速電路和敏感電路中，電源濾波尤為重要。

3. 實現方法 ：在 AD 中，可以通過以下步驟實現電源濾波如圖7：

■ 添加濾波元件 ：在原理圖設計中，添加濾波元件，如電容、電感等。可以通過在元件庫中選擇相應的元件并放置在原理圖中來實現。

■ 設置濾波元件參數 ：設置濾波元件的參數，如電容值、電感值等。可以通過在元件的屬性面板中進行設置。

■ 布線濾波電路 ：在 PCB 設計中，布線濾波電路，確保濾波元件與電源線的連接正確。可以通過在 PCB 編輯器中進行布線來實現。

電源完整性分析

1. 定義 ：是硬件設計中的關鍵環節，其核心目標是通過科學的電源分配、濾波和網絡優化，確保電源系統滿足以下要求：

a. 穩定性：電源電壓在動態負載下波動可控（如電壓跌落不超過5%）。

b. 低噪聲：抑制高頻噪聲（如開關電源噪聲、信號耦合干擾）。

c. 低阻抗：電源分配網絡（PDN）阻抗在目標頻段內足夠低（如10mΩ@100MHz）。

d. 可靠性：避免因電源問題導致的系統失效或壽命縮短。

2. 方法 ：在 AD 中，可以通過以下步驟進行電源完整性分析：

■ 使用仿真工具 ：

● 內置工具：Power Integrity模塊（需Signal Integrity擴展）。

● 第三方集成：如HyperLynx、Ansys SIwave（通過插件調用）。

■ 關鍵參數：

● 激勵源：定義DC輸入電壓（如5V）及瞬態負載模型（如FPGA動態電流）。

● 頻率范圍：覆蓋目標頻段（如10MHz-1GHz），捕捉高頻噪聲。

● 網絡模型：導入芯片功耗數據或IBIS模型，提高仿真精度。

■ 運行仿真 ：設置好仿真參數后，運行仿真。仿真工具會生成電源的供應和分配特性曲線，如電源噪聲、電源波動等。

■ 分析仿真結果 ：根據仿真結果，分析電源的供應和分配特性，評估電源的穩定性和系統的可靠性。可以通過在仿真工具的結果面板中查看仿真結果。

● IR Drop分析：生成熱力圖定位電壓跌落嚴重區域（如紅色高亮區）。

● 噪聲頻譜分析：識別噪聲源（如電源開關頻率諧波）。

● 阻抗-頻率曲線：驗證PDN阻抗是否滿足目標（如10mΩ@100MHz）。

■ 優化策略：增加銅箔寬度，降低電源路徑電阻。也可以通過優化去耦電容的布局：高頻電容（0.1μF）靠近芯片引腳，抑制瞬態電流噪聲，大容量電容（10μF）布局在電源入口，提供儲能緩沖。

實際應用案例

• 高速信號傳輸中的阻抗匹配

在高速信號傳輸中，阻抗匹配是確保信號完整性的關鍵。例如，在 DDR 內存接口中，信號頻率較高，阻抗不匹配會導致信號反射和失真，影響數據傳輸的準確性。通過在 AD 中調整傳輸線的特性阻抗和使用終端電阻，可以實現阻抗匹配，減少信號反射和失真，提高信號傳輸效率和質量。

• 差分布線在 USB 接口中的應用

USB 接口是一種常見的高速接口，采用差分信號傳輸方式。在 AD 中，通過創建差分信號對和設置差分布線規則，可以實現高質量的差分布線。差分布線可以有效減少信號的串擾和電磁輻射，提高信號的抗干擾能力和傳輸效率。

• 電源濾波在電源供應電路中的應用

在電源供應電路中，電源濾波是確保電源穩定性和純凈度的重要手段。通過在 AD 中添加濾波元件、設置濾波元件參數和布線濾波電路，可以實現電源濾波。電源濾波可以有效減少電源噪聲對信號的干擾，提高信號的完整性和系統的可靠性。

討論

信號完整性與電源完整性技術在硬件設計制造中具有重要的地位。通過合理的阻抗匹配、信號布線、電源分配和電源濾波等技術手段，可以有效提高信號的完整性和電源的穩定性，從而提高系統的性能和可靠性。在實際應用中，工程師們需要根據具體的設計需求和工藝條件，靈活運用這些技術，解決實際問題。例如，在高速信號傳輸中，可以通過調整傳輸線的特性阻抗、使用終端電阻等方式實現阻抗匹配；在電源供應電路中，可以通過添加濾波電容、電感等元件實現電源濾波。同時，隨著電子技術的不斷發展，信號完整性與電源完整性技術也在不斷創新和進步，工程師們需要不斷學習和掌握新的技術知識，以適應不斷變化的設計需求。

阻抗匹配在信號完整性中有多重要？

阻抗匹配在信號完整性中至關重要。在高速信號傳輸中，阻抗不匹配會導致信號反射，反射信號會與原信號疊加，產生信號失真，影響信號的完整性。通過合理的阻抗匹配，可以減少信號反射和失真，提高信號傳輸效率和質量。

電源分配對電源完整性有何影響？

電源分配的合理性直接影響到系統的穩定性和性能。如果電源分配不合理，會導致電源噪聲、電源波動等問題，影響信號的完整性和系統的可靠性。通過合理的電源分配，可以確保各個模塊和元器件能夠獲得穩定的電源供應，減少電源噪聲和信號干擾，提高系統的穩定性和性能。

電源濾波在電源完整性中起什么作用？

電源濾波可以有效減少電源噪聲對信號的干擾，提高信號的完整性和系統的可靠性。在高速電路和敏感電路中，電源濾波尤為重要。通過在電源供應電路中添加濾波元件、設置濾波元件參數和布線濾波電路，可以實現電源濾波，濾除電源中的高頻噪聲和紋波，提高電源的穩定性和純凈度。

信號布線規則有哪些？

在信號布線過程中，需要遵循一些基本的布線規則，如避免信號線的交叉、保持信號線的等長、避免信號線的銳角轉彎等。這些規則可以有效減少信號的反射和串擾，提高信號的完整性。在 AD 中，可以通過設置布線規則、使用差分布線和屏蔽布線功能等方式實現信號布線規則的遵循，確保信號的傳輸質量和系統的可靠性。

信號完整性分析有哪些方法？

信號完整性分析可以采用仿真軟件（如 AD、Cadence 等）進行仿真分析，也可以通過實際測試（如示波器、網絡分析儀等）進行測試評估。在 AD 中，可以通過使用內置的信號完整性仿真工具、設置仿真參數、運行仿真、分析仿真結果等方式進行信號完整性分析，提前發現設計中的信號完整性問題，確保信號的完整性和系統的可靠性。

結論

信號完整性與電源完整性技術是硬件設計中的關鍵技術領域，對于確保電子設備的性能和可靠性具有重要意義。AD 作為一款功能強大的電子設計自動化（EDA）軟件，提供了豐富的工具和功能，幫助工程師在硬件設計中解決信號完整性與電源完整性問題。通過合理的阻抗匹配、信號布線、電源分配和電源濾波等技術手段，可以有效提高信號的完整性和電源的穩定性，從而提高系統的性能和可靠性。工程師們在硬件設計過程中，應充分重視信號完整性與電源完整性技術的應用，不斷學習和掌握相關技術知識，為電子設備的設計和制造提供有力保障。