Cadence EDA中PCB分析工具Specctraquest的使用

    電子設計自動化(EDA)技術是目前進行電子產品設計中所採用的主要技術．設計者利用它可以設計出更完美的產品，並且極大地縮短了設計周期。但是隨著電子技術的不斷發展，在設計中，特別是在高速PCB的設計中出現了一些新的問題。例如：延時、串擾、電磁干擾等物理設計問題，迫切需要提供一些模擬分析工具來解決這些問題。本文主要介紹了Cadence EDA軟體中的信號完整性模擬設計工具SpecctraQuest的使用與建模方法。

一、前言
    EDA(電子設計自動化)技術是電子產品設計、開發領域的重大變革，它的出現徹底改變了過去的設計思想，提出了“設計即正確”的設計理念，極大地提高了生產效益和產品質量。之所以能這樣，是因為在設計的各個環節大量採用了預分析、模擬技術，這種技術使得設計者能在產品製作前就預知產品的功能、了解故障與問題，控制其整個過程。
    模擬技術是採用計算機軟體對電子元件的電特性、時序、功率、熱效等進行模擬的一項技術。它最先是運用於對電路的功能模擬，即：對輸入的原理圖進行邏輯功能模擬，看是否滿足設計者的功能要求，不犯邏輯設計上的錯誤。隨著設計技術的不斷成熟，電子產品的小型化、智能化、高速化的發展，在板級設計中也需要採用這種分析、模擬的方法，以保證在PCB設計后的時序關係與原理設計上的時序的一致性。因為在這種高密度、高速度的PCB設計中存在一系列新的問題，如：電磁干擾、信號的完整性、互連噪音(串擾)等等，他們是影響高速、高密PCB板能否正常工作、工作狀態能否穩定的主要困索。在板級設計中，如何隔離敏感部件，以減少電磁干擾；如何合理地進行布局，以避免由於金屬連線的傳導延時而導致邏輯時序混亂；如何合理地設置平行線對的間距與線寬，以減少互連噪音。對於這些問題，我們一方
面可以從理論上進行分析，定性地確定解決問題；另一方面，採用一些模擬設計工具來檢驗、分析電路中某些重要的網路，以確保電路
的物理結果與原理設計的一致性，這種設計將極大地縮短設計周期並提高產品的質量。
    PCB分析工具(後端分析工具)是在物理層次上對電路進行分析、界定故障。PCB分析工具包括：信噪分析(信號的串擾、延時、反射、雜訊)、電磁兼容分析、熱分析、可靠性分析、可安裝性分析、地層反射分析。SpecctraQuost是Cadence EDA軟體中進行模擬設計與分析的工具，它提供了強勁的模擬功能，並且建模方式十分簡明，運用十分方便。

二 設計流程
    隨著EDA工具的不斷發展，以前那種僅僅以布通率來判斷PCB設計的方法越來越不能滿足電子設計發展的要求。因為，隨著布線器計算方法的不斷優化，布通率越來越高，它已不是影響設計的主要困難；相反布局、布線的合理性成為設計者需重點考慮的內容。圖1是一個設計的主要流程圖，從中我們可以發現．分析功能是其中的主要內容，並且具有以下特點：
1 分析功能提前至布局、布線之前完成。
    這是SpecctraQuest不同於其它分析工具之處。使設計工程師在實際的布局之前對系統的時間特性、信號完整性及其它問題做出最優化的設計，以確定最優布局的方案。
2 specctraQuest內部包括SigNoise信號完整性分析工具。
 

三 specctraQuest簡介
    specctraQuest是Cadence公司為了滿足高速系統和板級設計需要開發的易用的工程設計環境。它將功能設計和物理設計有機地結合在一起。設計工程師能在這種直觀的環境中探索並解決與系統功能相關的高速設計問題。利用SpecctraQuest工具，我們可以針對高速網路．在布線前定義其網路的拓撲結構；依據電學約束條件定義關鍵器件的布局；布線前對關鍵網路進行信號/雜訊預分析；電源層/地層反射分析等
SpecctraQuest主要包括以下的功能模塊：

• SigNoise：信號完整性與電磁干擾
• EMControl：電磁控制
• SSN：電源、地反射
• SigXplorer：信號瀏覽器
• Topology Exploration：拓撲結構瀏覽器

目前，我們主要對SigNoise/SI、EMControl、SigXplorer、Topology、Exploration這四個模塊進行了研究與運用。

四 specctraQuest在SI／EMI方面的運用
    SigNoise是SpecctraQuest工具中進行信號完整性和電磁干擾分析的工具。運用這個工具可以解決高速互連中的一些問題；減少由於傳導延時而造成的失真、串擾的影響，從而為設計規則的設置提供相應的支持。
4.1模擬模型
SigNoise模擬器的正常工作是基於各個模擬模型的正確設置。在SI／EMI分析中使用到的模型有：

• Device Model(器件模型)
• Interconnect Model(互連線模型)

Device Model是針對設計中所使用到的器件進行建模。系統提供以下幾種模型庫供用戶選擇：

1.  Default Model Library (預設的模型庫)
2.  Standard Digital Device Model Library(標準數字器件模型庫)
3.  User Model Library(用戶自建的模型庫)

根據器件模型的不同類型，又將分成以下五種：

1. IBIS Device Models
2. IBIS Iocell Device Models
3. Package Models
4. Espice Models
5. DesignLinks Models

    為了進行信號分析，除了要建立器件的信噪模型庫以外，還必須建立金屬互連線的特性庫。Interconnect Model就是描述金屬互連線特性的模型庫 在這個庫中定義了金屬線的電阻係數、感應係數、電容係數、傳導係數等．利用這些參數可以計算出信號在金屬線上傳送時的延時、耦合電容、電磁輻射等，以得出驅動信號與接受信號的實際模擬波形。
    模擬模型的參數設置是在SI/EMI Sim>Initialize環境下進行，它包括了以上所說的所有的庫模型的設置。

4 2模擬分析流程
    在採用SI/EMI模擬器進行信號分析之前，首先必須進行系統的初始化。初始化的主要內容是：Licence許可權的檢測以及載入信噪分析庫(SigNoise Library)。這個信噪分析庫是系統預設的分析庫，對於設計者未指定模型的元器件，均採用這個預設的設置。
    系統初始化完成後，其次是模型庫的選擇或模型的建立。建模是模擬過程中最關鍵的內容，因為它是關係到模擬結果是否可靠的重要因素。整個建模過程分為兩個部分：一部分為器件模型；另一部分為金屬互連線模型。在器件模型中，我們需定義每一管腳的寄生電阻、電容、電感值；器件的封裝模型；而器件的信號定義，是在作symbol時定義的，系統將自動載入此信息。金屬互連線模型包括：金屬互連線的阻抗、傳輸速率、相鄰線間的電容值、曼哈頓長度百分比、shape的網孔大小等。建模方式採用參數填表方式，使用時清晰、簡便。具體使用方法見cadence SpecctraQuest使用手冊。
    第三，正式進入分析。在其中我們針對某些重要的網路，對其進行反射分析、串擾分析、EMI分析，分析結果以文本報告或波形顯示的方式提供給設計者。Sigware窗口是分析中的一個波形顯示器，它將顯示網路中驅動端與接受端的波形圖像，提供直觀的信號偏移及振蕩效果，以利於設計者分析。View Topology是察看網路拓撲結構的工具。在高速設計中，一種良好的拓撲結構關係對於整個設計是至關重要的，因為它保證了信號間正確的邏輯時間關係，是布局的重要依據之一。利用View Topology和Sigware工具可以尋找出一種最佳的拓撲結構，將這個結構保存下來(* top)，作為一種參數傳遞至PCB中，使得PCB的布局、布線滿足這種物理關係。
    第四，因為在拓撲關係中包含有網路中各個節點間的延遲時間、線間阻抗等信息，所以分析結束時，應將產生的最佳拓撲結構保存下來，作為PCB設計的結束條件。

五 總結
    通過使用SpecctraQuest中SI/EMI工具，我們將在PCB的設計階段就解決由於高速度、高密度而導致的各種問題。這些問題在很大程度上不是由於原理設計引起，而是在物理實現造成的。SpecctraQuest的使用改變了以往那種設計—— 布局／布線—— 信號完整性分析—— 修改—— 布局／布線調整—— 生產的方式，利用分析工具對虛擬樣板進行充分的分析，以確定最優的物理關係，實現了“設計即正確”的設計理念，提高了產品質量和工作效率。
    建模是整個分析的基礎，是分析結果是否可靠的依據。雖然系統採用的是“模型參數表”這種直觀的建模方式，但仍給初次使用者一種較困難的感覺，究其原因主要是模型建立所涉及的內容很廣。除了要了解電路的功能特性外，還要了解PCB 的製造工藝、不同材料的特性參數，只有這樣才能建立起與實際相符的模型。