高速串行信号仿真方法

随着现代通信系统带宽的迅速增加，作为系统内各模块间信息传输枢纽的背板的带宽也迅速增加，背板上的信号速率已达到Gbps。典型的背板互联的拓扑结构主要有两种：总线结构（并行结构）和点到点结构（串行结构），如图示：

图1 总线（并行）背板拓扑结构

图2 点对点（串行）背板拓扑结构

从图1和图2中可看出，不论何种结构，都包含四个部分：Buffer（包括Driver和Receiver）、互联（包括传输线和过孔）、接插件、匹配电路。如要进行仿真分析，就必须分别对这四个部分建模分析。本文针对高速串行背板结构，着重介绍如何在SQ/Sigxp中对互联、接插件进行建模分析，并介绍SQ/Sigxp 中的一些高速分析手段。

互联：

1传输线：

理想传输线等效模型如图示：

图3 理想传输线等效模型

从图中可看出，当信号沿传输线传输时，完成对每一段LC 电路的充放电。此时有两个主要的参数来表征传输线的特性：特征阻抗Z0和信号传输速率V 。

特征阻抗：

C L Z /0= 其中L 为单位长度电感，C 为单位长度电容。

信号传输速率： LC V 1= 其中L 为单位长度电感，C 为单位长度电容。

以上是理想传输线的等效电路模型，从等效电路上看，它是无损的，通常在频率不高，损耗不明显的情况下使用。而当信号频率升高，传输线上的衰减就不可忽略。此时，就需要考虑由导体串连等效电阻和介质并联等效电导引起的损耗，此时我们就需要使用有损传输线模型。

有损传输线等效模型如图：

图4 有损传输线等效模型

从图中可以看出，表征损耗的是等效串连电阻R 和等效并联电导G ，下面分别说明。

等效串连电阻R ：直流电阻和趋肤效应引起的电阻。直流电阻为导体本身的电阻，由导体的物理结构和导体的电阻率决定。对于PCB 上常用的传输线结构带状线和微带线，其直流电阻近似计算公式为： wt R ρ

10= 其中R 为单位长度电阻（ohm/inch ），ρ为导体

体电阻率（ohm*meter ），w 为线宽(mils)，t 为

线厚(microns)。

当频率升高，趋肤效应开始作用。趋肤效应（Skin Effect ）是当高频信号通过导体时，导体中的信号电流集中于导体表面的现象。在导体内部，沿导体截面，信号电流密度呈指数衰减，当电流密度减小为原来的1/e 时的深度叫趋肤深度。频率越高，趋肤深度越小，导致导体的电阻增加。趋肤深度与频率的平方根成反比：

f f ρπµρδ500= = 0 其中δ为趋肤深度（m ），ρ为体

电阻率（ohm*meter ），f 为频率

（Hz ）。

当信号的趋肤深度小于传输线的厚度时，公式中的厚度就应用趋肤深度替代，来计算串连等效电阻。

等效并联电导G ：也即介质损耗（Dielectric Loss ）。在低频时，等效并联电导与介质的体电导率和等效电容有关：

r C

G εεσ0 = 其中G 为单位长度电导，σ为介质电导率，C

为单位长度电容，r ε为相对介电常数。

而当频率升高时（通常大于1MHz 时），介质损耗角开始起主导作用。此时介质电导率由介质损耗角和信号频率决定。

) = δεεπσtan(20r f 其中σ为介质电导率，tan(δ)为介质损耗

角。

将上式带入电导公式中，此时单位长度电导变为：

C f G )tan(2δπ=

SQ/SigXP 仿真方法：

在SQ/Sigxp 中如何仿真损耗呢？首先我们要知道我们用的PCB 材料的几个参数：介电常熟，介质损耗角（Loss Tan ），导体的电导率。这些数据可以由PCB 生产厂家提供，或者如果有测试设备的话，也可以通过测试获得。得到这些参数后，在SQ 中通过Setup －>Cross-section 表单，在Sigxp 中通过设置传输线的Parameter ，来对这些参数进行设置。设置好这些参数后，我们要设置截止频率（Cutoff Frequency ）。在SQ/Sigxp 中，Cutoff Frequency 缺省为0，即仿真器在做仿真时不考虑损耗，因此，要仿真衰减的话，一定要根据信号的带宽设置相应的截止频率。注意截止频率指的是信号的带宽，而不是信号的频率。

下面举例说明。图为一个输出Buffer 经过10英寸传输线，再连一个输入Buffer 的简单拓扑结构。在Sigxp 中设置参数如下：介电常数为4.5，介质损耗角为0.0017，信号频率为300MHz ，截止频率设为1G 。我们仿真传输线在有损和无损两种情况下信号上升沿在接收端的波形，来比较衰减对信号的影响。

图5 Loss 和Lossless 仿真拓扑结构

图6 Loss和Lossless仿真波形对比

从图中可看出，损耗对于信号的影响主要体现在两个方面，损耗使信号的上升沿变缓，即减小了信号的带宽。另一方面，损耗减小了信号的幅度，从另一方面讲，这对于抑制信号过冲是有好处的。

2过孔：

过孔模型：

过孔的模型结构为串连电阻R、电感L和并联电容C形式。根据具体应用和精度要求，可以采用多个RLC结构并联的形式，以及考虑与其它导体间的耦合，此时过孔模型就是一个矩阵。

过孔模型的获取有两种方法，一种是通过测试例如通过TDR来获得。另一种可以通过3D的场提取器（Field Solver）根据过孔的物理结构来提取模型。

过孔模型参数与PCB的材料、Stackup、厚度、焊盘/反焊盘尺寸、以及与其

连接的连线的连接方式有关。

图7 SQ中的Via模型

在SQ中，对过孔的处理有三种方式：Ignore Vias、Fast Closed Form和Detailed Closed Form，可以在Analysis Performance－>InterconnectModels－>Via Modeling中设置。其结构如图7。Fast Closed Form采用Cadence的2D场提取算法，Detailed Closed Form采用3D场提取算法，具体的算法可参阅参考文档2和3。

如何在SQ/SigXP中加入过孔模型：

下面介绍如何在Sigxp中加入Via模型。在Sigxp的互联库中，没有过孔模型，所以不能直接在Sigxp中加入过孔模型。如果已经获得了过孔模型参数，你可以在Sigxp中将上面讲的RLC电路直接加上去。如果过孔模型是一个RLGC矩阵的话，那就需要将这个RLGC矩阵编辑到一个Espice多端口模型中。如果你想在Sigxp中使用自动提取的过孔模型，或者在其基础上修改，那么你可以在SQ中提取一个有相同过孔结构的网络的拓扑，然后在Sigxp中将其它的结构删掉，那么就得到了一个过孔的模型。如果你想更改过孔模型的参数的话，可以在Libraries－>Interconnect library files－>Browse models中更改相应的过孔模型的RLC值。

接插件：

接插件模型：

1单线模型：

接插件单线模型评估接插件中某一个管脚对信号的影响，主要用来进行反射、延时、衰减、阻抗等的仿真分析。单线模型可以用RLC结构来表征，也可以用传输延时Tpd和特征阻抗Z0来表征，如图：

图8 接插件单线模型的两种形式

2多线模型：

当要仿真信号间的串扰时，则以上的单线模型显然是不行的。这时就要用接插件的多线模型。接插件多线模型是在三维空间下，考虑了所有管脚间的电感和电容耦合提取出来的模型，并且多线模型一般是根据信号的带宽和接插件的结构进行了分段，接插件多线模型的结构图如图。接插件多线模型一般都是使用三维的场提取器来提取的。接插件的多线模型非常复杂，所以在提取和仿真的时候需要很长的时间，所以一般接插件多线模型只取接插件某一部分进行参数提取，提取完后形成各参数的RLGC矩阵。

图9 接插件多线模型拓扑图

Spice接插件模型转换：

对于接插件单线模型可以直接在Sigxp中加入，这里不再多说，下面主要介绍接插件多线模型在SQ中的加入方法。

提取出的RLGC距阵一般是以Spice的子电路形式给出的，那么在SQ 中如何应用呢？首先你要检查一下你的接插件的模型有无语法错误，并去掉一些没用的注释行。在SQ中创建一个新的dml库，再从标准库中克隆一个Espice模型，编辑这个Espice模型，按照接插件器件更改模型名和Pin Connection，最后用接插件模型的Subckt替代Espice中原有的subckt就可以了。这样就生成了一个接插件的Espice模型，然后将这个模型赋给相应的器件或在Sigxp中直接调用。

首先需要为接插件创建一个IBIS Device模型：在Model->Devices中选择接插件的Device，然后点击Create Model，在弹出菜单中选择Create IbisDevice model，将弹出的模型编辑框中的IOCell Model下的IN框中的CDSDefaultInput改为 CDSDefaultProbe或DummyProbe。这可以使我们在仿真时观察到每一个管脚的信号波形。当然也可以什么也不加，但这样就不能在仿真时直接得到接插件管脚的波形。然后点击OK，不必理会No Power/Ground的警告。

仿真分析：

1 伪随机码：

在高速信号的仿真中，因为信号的波形与码形间有相关性，所以经常会用到伪随机码序列来模拟各种码形的组合。在Sigxp中，可以通过设置Stimuli为Custmer来实现。但是加到若干位后，就不可以加了。如果想要加入较长的码序列，可以通过编辑*.top文件中Stimuli项periodicPattern 下的序列来实现。一种简单的方法是，使用伪随机码产生程序生成任意长度的伪随机码序列，然后拷贝到*.top文件中的相应位置。

2 眼图：

眼图分析是高速串行信号的一种常用的和重要的分析方法，通过对眼图高度和宽度的分析，可以得到反射、衰减、抖动等对信号的影响。在Sigwave中可以将仿真出的伪随机码序列的串行波形叠加成眼图。在Sigwave中Graph－> Eye Diagram Performances中设置正确的信号周期，设置合适的Offset值，以方便观测，然后选择Graph－> Eye Diagram mode，就可以得到相应信号的眼图。

3抖动：

在SigXP中可以在信号源中加入一定的抖动，来分析抖动对信号的影响。可以通过Stimuli－>的Jitter项中加入抖动值来实现以上的功能。

总结：

以上介绍了在SQ/Sigxp中，高速串行背板的仿真分析方法。如果我们有了精确的器件模型、衰减参数、接插件模型、过孔模型，结合眼图、抖动分析，再结合自定义的Mesurement来测量波形的特性，我们就可以实现对高速串行信号的仿真分析。

参考文档：

1 Cadence Specctraquest Online Help

2 "Capacitance computations in a multilayered dielectric medium using

closed-form spatial Green's functions," S. Oh, D.B. Kuznetsov, and J. E. Schutt-Aine； IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol.42, No.8, August, 1994

3 "Computation of the Equivalent Capacitance of a Via in a Multilayered

Board Using the Closed-Form Green's Function" Kyung S. Oh, Jose. E. Schutt-Aine, Raj Mittra, and Bu Wang； IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol.44, No.2, February, 1996

4 “Electrical Performance Report －Z-Pack HS3 6 Row Vertical Plug to Right Angel Receptacle” By AMP