信号参考电源层的仿真分析
SIwave电源完整性仿真教程
SIwave电源完整性仿真教程V1.0目录1软件介绍 (2)2.1功能概述 (2)2.2操作界面 (3)2.3常用热键 (4)2仿真的前期准备 (5)2.1软件的准备 (5)2.2 PCB文件导入 (5)2.2.1 Launch SIwave方式 (5)2.2.1 ANF+CMP方式 (6)2.3 PCB的Validation Check (8)2.4 PCB叠层结构设置 (11)2.5仿真参数设置 (12)2.6 RLC参数修正 (13)2.6.1 RLC的自动导入 (13)2.6.2检视自动导入的RLC默认值 (15)2.6.3批量修改RLC值 (18)2.6.4套用大厂的RLC参数 (19)3 SIwave仿真模式 (20)3.1谐振模式 (20)3.2激励源模式 (25)3.3 S参数分析 (30)4实例仿真分析 (32)4.1从Allegro中导入SIwave (32)4.2 Validation Check (33)4.3叠层结构设置 (34)4.4无源参数RLC修正 (34)4.5平面谐振分析 (37)4.6目标阻抗（Z参数）分析 (40)4.7选取退耦电容并添加 (44)4.8再次运行仿真查看结果 (45)5问题总结 (47)5.1 PCB谐振的概念 (47)5.2为何频率会有实部和虚部 (48)5.3电容的非理想特性影响 (48)5.4地平面完整与回流路径连续 (49)5.5电源目标阻抗 (49)1软件介绍2.1功能概述Ansoft SIwave主要用于解决电源完整性问题，采用全波有限元算法，只能进行无源的仿真分析。
Ansoft SIwave虽然功能强大，但并非把PCB导入，就能算出整块板子的问题在哪里。
还需要有经验的工程设计人员，以系统化的设计步骤导入此软件检查PCB设计。
主要功能如下：1.计算共振模式在PDS电源地系统结构（层结构、材料、形状）的LAYOUT之前，我们可以计算出PDS电源地系统的共有的、内在的共振模式。
利用Cadence Allegro PCB SI进行SI仿真分析
利用Cadence Allegro PCB SI进行SI仿真分析摘要本文主要针对高速电路中的信号完整性分析，利用Cadence Allegro PCB SI 工具进行信号完整性（SI）分析。
说明：本手册中的实例均采用Cadence SPB 16_2操作实现。
目录一、高速数字电路的基本知识 (3)1.1高速电路的定义 (3)1.2高速PCB的设计方法 (3)1.3微带线与带状线 (4)1.4常见的高速数字电路 (5)1.4.1 ECL(Emitter Coupled Logic)射级耦合电路 (5)1.4.2 CML(Current Mode Logic)电流模式电路 (6)1.4.3 GTL(Gunning Transceiver Logic)电路 (6)1.4.4 TTL(Transistor Transistor Logic)电路 (7)1.4.5 BTL(BackPlane Transceiver Logic)电路 (7)1.5信号完整性 (8)1.4.1 反射（Reflection） (8)1.4.2 串扰（Crosstalk） (8)1.4.3 过冲（Overshoot）与下冲（Undershoot） (9)1.4.4 振铃（Ringring） (9)1.4.5 信号延迟(Delay) (9)二、信号完整性分析和仿真流程 (11)2.1 SpecctraQuest interconnect Designer的性能简介 (11)2.2 SpectraQuest(PCB SI)仿真流程 (11)三、仿真前的准备 (13)3.1 IBIS模型 (13)3.1.1 IBIS模型介绍 (13)3.1.2 IBIS模型的获取方法 (14)3.1.2 验证IBIS模型 (14)3.2 预布局 (20)3.3 电路板设置要求（Setup Advisor） (23)3.3.1 叠层设置（Edit Cross-section） (24)3.3.2 设置DC电压值（Identify DC Nets） (25)3.3.3 器件设置（Device Setup） (26)3.3.4 SI模型分配（SI Model Assignment） (27)四、约束驱动布局 (35)4.1 预布局提取和仿真 (35)4.1.2 预布局拓扑提取分析 (37)4.1.3 执行反射仿真 (40)4.1.4 反射仿真测量 (42)4.2 设置和添加约束 (43)4.2.1 运行参数扫描 (43)4.2.2 为拓扑添加约束 (47)4.2.3 分析拓扑约束 (52)五、布线后仿真 (53)5.1 后仿真 (53)5.2反射仿真 (53)5.2.1 设置参数 (53)5.2.2指定要仿真的网络 (53)5.2.3 执行仿真 (55)5.3综合仿真 (57)5.4 串扰仿真 (57)5.5 Simultaneous Switching Noisie仿真 (57)5.6 多析仿真 (57)六、参考文献 (57)说明：本手册中的实例均采用Cadence SPB 16_2操作实现。
信号完整性与电源完整性的研究与仿真的开题报告
信号完整性与电源完整性的研究与仿真的开题报告一、选题背景及意义信号完整性和电源完整性感性地理解，即不同的信号和电源是否能够在电路中保持其原始状态。
在高速PCB设计中，信号完整性问题和电源完整性问题是非常普遍的，它们会产生各种各样的电路干扰，如噪音、电磁干扰等等，从而导致电路性能的下降或者系统功能的失效。
因此，实现信号完整性和电源完整性对于保证电路性能和系统可靠性是至关重要的。
然而，在高速PCB设计中，对于信号完整性和电源完整性的研究与仿真是一个非常重要的环节。
二、研究目标本研究的主要目标是探讨信号完整性和电源完整性在高速PCB设计中的关键问题，例如信号的传输和噪声的抑制、电源的供电质量和稳定性等等。
通过对实验和仿真的比较，分析影响信号完整性和电源完整性的因素，并提供相应的设计方法和方案。
三、研究内容与步骤1、了解信号完整性和电源完整性相关的理论知识。
2、分析信号完整性和电源完整性的影响因素。
3、研究现有的信号完整性和电源完整性仿真方法，并结合实验进行对比分析。
4、验证设计方案，通过仿真分析和实验验证，确定最优解决方案。
5、总结研究成果，提出针对信号完整性和电源完整性研究的未来发展方向。
四、预期成果与创新点预计本研究将通过实验和仿真，提供了解信号完整性和电源完整性在高速PCB设计中的关键问题的详细分析，为保证电路性能和系统可靠性提供设计方案和方法，并为相关领域的研究提供创新点。
五、研究方法本研究采用实验和仿真相结合的方法，通过实验验证仿真结果的准确性，并通过仿真得到更多有价值的信息。
在实验方面，将借助现有的测试设备进行测试，如信号发生器、示波器等。
在仿真方面，将采用相应的仿真软件工具，如Altium Designer 等进行仿真。
六、研究难点1、信号完整性和电源完整性影响因素的综合分析。
2、如何针对信号完整性和电源完整性的问题提供最优解决方案。
3、通过仿真和实验得到准确的结果和分析。
七、时间安排本研究计划在2021年9月至2022年6月期间完成。
低压基准电压源电路的仿真分析设计说明
摘要参考电压源是模拟集成电路设计中应用非常广泛的基本模块。
我们所说的参考电压源是能够为电路提供高稳定性的基准电源，这个图片参考与功率、工艺参数和温度的关系很小，但是它的输入温度稳定性和抗噪声能力性能与整个电路系统的精度和性能。
系统的精度在很大程度上取决于内部或外部基准电压源的精度，没有一个能满足要求的基准电压源电路，就不能正确有效地对系统进行预置性能。
本文的目的是基于双极晶体管参考TL431可调稳压IC进行仿真分析。
本文开头，首先介绍了国内外基准电压源的发展现状和趋势。
然后详细介绍了基准电压源电路的基本结构和基本原理，并对几种不同的双极性电压基准电路作了简单的介绍。
二、电路仿真软件mulisim。
最后，电路仿真软件specture TL431系列集成稳压器参考电路仿真及结果详细分析。
仿真分析的主要类型有直流工作点分析、交流分析、傅里叶分析、噪声分析、噪声系数、失真分析、直流扫描分析、灵敏度分析、参数扫描分析、温度扫描。
仿真和仿真结果分析表明，该电压基准电路具有较高的稳定性，直流电压源输出电平比较稳定，且直流电平对电源电压和温度不敏感。
关键词：参考电压源 TL431 仿真光谱温度系数目录1. 简介41.1 国外研究现状及发展趋势41.2 研究项目的目的和意义61.3 本文主要内容62.参考电压源电路和偏置电流源电路62.1 参考电压源的结构72.1.1 直接使用电阻和管分压器的参考电压源72.1.2 有源器件和电阻串联组成的参考电压源72.1.3 双极三管能隙参考源92.1.4 双极二极管能隙参考源11V温度特性122.2BE2.3 对温度不敏感的偏置132.4对功率不敏感的偏置1720章总结18部分结构20工作原理及参数20章总结28章总结371 简介参考电压是指在模拟电路和混合信号电路中用作电压参考的参考电压源。
它具有许多优点，通常具有相对较高的准确性和稳定性。
它的稳定性和抗噪性会影响整个电路系统的精度和性能。
《信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计》
信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计1简介信号完整性是指信号在通过一定距离的传输路径后在特定接收端口相对指定发送端口信号的还原程度。
在讨论信号完整性设计性能时，如指定不同的收发参考端口，则对信号还原程度会用不同的指标来描述。
通常指定的收发参考端口是发送芯片输出处及接收芯片输入处的波形可测点，此时对信号还原程度主要依靠上升/下降及保持时间等指标来进行描述。
而如果指定的参考收发端口是在信道编码器输入端及解码器输出端时，对信号还原程度的描述将会依靠误码率来描述。
电源完整性是指系统供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该器件对工作电源要求的符合程度。
同样，对于同一系统中同一个器件的正常工作条件而言，如果指定的端口不同，其工作电源要求也不同（在随后的例子中将会直观地看到这一点）。
通常指定的器件参考端口是芯片电源及地连接引脚处的可测点，此时该芯片的产品手册应给出该端口处的相应指标，常用纹波大小或者电压最大偏离范围来表征。
图一是一个典型背板信号传输的系统示意图。
本文中“系统”一词包含信号传输所需的所有相关硬件及软件，包括芯片、封装与PCB板的物理结构，电源及电源传输网络，所有相关电路实现以及信号通信所需的协议等。
从设计目的而言，需要硬件提供可制作的支撑及电信号有源/无源互联结构；需要软件提供信号传递的传输协议以及数据内容。
图1 背板信号传输的系统示意图在本文的以下内容中，将会看到由于这些支撑与互联结构对电信号的传输呈现出一定的频率选择性衰减，从而会使设计者产生对信号完整性及电源完整性的担忧。
而不同传输协议及不同数据内容的表达方式对相同传输环境具备不同适应能力，使得设计者需要进一步根据实际的传输环境来选择或优化可行的传输协议及数据内容表达方式。
为描述方便起见以下用“完整性设计与分析”来指代“信号完整性与电源完整性设计与分析”。
2 版图完整性问题、分析与设计上述背板系统中的硬件支撑及无源互联结构基本上都在一种层叠平板结构上实现。
使用PSpice for TI仿真复杂的模拟电源和信号链电路
人们通常期望硬件工程师能在紧迫的项目时间内交付成果。
电路和系统设计人员必须使用一切工具来构建精确、可靠工作的设计方案，使其在第一次运行表现良好。
为了满足这些需求，加之如今不断变化的办公环境，意味着可以在家或远程操控的电路仿真和验证工具比以往任何时候都更具价值。
我们发现，工程师正在缩减设计的原型设计和评估阶段。
某些情况下，他们会直接使用最终的印刷电路板（PCB），但大家都希望能降低电路错误的风险。
为此，德州仪器针对高性能、全功能模拟仿真平台的日益增长的需求，与Cadence一同推出了PSpice® for TI，为业内标准OrCAD Pspice环境的全功能版本，使器件评估和在验证时模拟整个子系统变得更容易。
首先，为什么要使用SPICE仿真？数十年来，以集成电路为重点的仿真程序（SPICE）一直在帮助工程师解决硬件设计问题。
电路仿真有三种主要用例：· 器件评估。
有时甚至在实际器件或应用电路实际可用之前，就可测量特定产品在特定应用中的性能。
· 验证设计。
构建物理原型之前，构建和仿真复杂的电路板级和系统级设计能让工程师对其电路充满信心，并缩短设计时间。
设计验证包括在最坏情况下仿真电路运行的能力，以及产品在温度、极端电压和器件容差等参数发生变化时确保能够正常运行。
· 设计调试。
如果设计效果不如预期，工程师通常会通过仿真来解决系统中的问题或漏洞。
无需重新加工和测试实际PCB，SPICE仿真也可找到并初步测试电路修复情况。
利用PSpice for TI，通过电路仿真的能力来完成这些任务可帮助您缩短开发时间并推动产品快速上市。
基于计算机的仿真具有固有优势。
例如，如今在家办公更为普遍，使用仿真意味着您可在任何地方的项目上取得重大进展。
您也无需等待零件、PCB或实验室设备，只需建立您的仿真测试台即可。
您可以通过电子方式与其他团队成员轻松共享电路仿真，以进行较大的系统级仿真或同行设计审查。
Buck电路的闭环设计及仿真分析
Buck电路的闭环设计及仿真分析一、本文概述随着电力电子技术的飞速发展，电源转换技术已成为现代电子设备不可或缺的一部分。
其中，Buck电路作为一种基本的直流-直流（DC-DC）转换器，因其结构简单、效率高、调节范围宽等优点，在电子设备中得到了广泛应用。
然而，为了确保Buck电路在各种环境和负载条件下的稳定性和高效性，闭环设计显得尤为重要。
本文旨在探讨Buck电路的闭环设计方法，并通过仿真分析验证设计的有效性。
文章首先简要介绍了Buck电路的基本原理和应用背景，然后重点阐述了闭环设计的重要性及常用方法。
在闭环设计部分，文章详细分析了反馈网络的选取、控制策略的制定以及功率级和控制级的协同工作等问题。
同时，结合具体的设计实例，阐述了闭环设计在实际应用中的具体实现过程。
为了验证设计的有效性，文章采用了仿真分析的方法。
通过搭建基于MATLAB/Simulink的仿真模型，对设计的Buck闭环电路进行了全面的仿真分析。
仿真结果证明了闭环设计的有效性，同时也为实际电路的制作和调试提供了重要参考。
文章对闭环设计的Buck电路进行了总结，并指出了未来研究方向和潜在的应用前景。
通过本文的研究，旨在为从事电源转换技术研究和应用的工程师和学者提供有益的参考和启示。
二、Buck电路的基本原理Buck电路，也称为降压转换器，是一种基本的直流-直流（DC-DC）转换电路，其主要功能是将较高的直流电压降低到所需的较低直流电压。
其名称来源于电路中开关元件（如MOSFET或晶体管）的操作，类似于"bucking"（减少或抑制）输入电压。
Buck电路的基本构成包括一个开关（通常是MOSFET），一个电感（或称为线圈），一个二极管（也称为整流器或续流二极管），以及一个输出电容器。
在开关打开时，电流通过电感从输入源流向输出，此时电感储存能量。
当开关关闭时，电感释放其储存的能量，通过二极管向输出电容器和负载供电。
Buck电路的工作原理基于电感的电压-电流关系。
ADS信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计
信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计李荔博士leo_le@安捷伦科技1简介信号完整性是指信号在通过一定距离的传输路径后在特定接收端口相对指定发送端口信号的还原程度。
在讨论信号完整性设计性能时，如指定不同的收发参考端口，则对信号还原程度会用不同的指标来描述。
通常指定的收发参考端口是发送芯片输出处及接收芯片输入处的波形可测点，此时对信号还原程度主要依靠上升/下降及保持时间等指标来进行描述。
而如果指定的参考收发端口是在信道编码器输入端及解码器输出端时，对信号还原程度的描述将会依靠误码率来描述。
电源完整性是指系统供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该器件对工作电源要求的符合程度。
同样，对于同一系统中同一个器件的正常工作条件而言，如果指定的端口不同，其工作电源要求也不同（在随后的例子中将会直观地看到这一点）。
通常指定的器件参考端口是芯片电源及地连接引脚处的可测点，此时该芯片的产品手册应给出该端口处的相应指标，常用纹波大小或者电压最大偏离范围来表征。
图一是一个典型背板信号传输的系统示意图。
本文中“系统”一词包含信号传输所需的所有相关硬件及软件，包括芯片、封装与PCB板的物理结构，电源及电源传输网络，所有相关电路实现以及信号通信所需的协议等。
从设计目的而言，需要硬件提供可制作的支撑及电信号有源/无源互联结构；需要软件提供信号传递的传输协议以及数据内容。
1001010…图1 背板信号传输的系统示意图在本文的以下内容中，将会看到由于这些支撑与互联结构对电信号的传输呈现出一定的频率选择性衰减，从而会使设计者产生对信号完整性及电源完整性的担忧。
而不同传输协议及不同数据内容的表达方式对相同传输环境具备不同适应能力，使得设计者需要进一步根据实际的传输环境来选择或优化可行的传输协议及数据内容表达方式。
为描述方便起见以下用“完整性设计与分析”来指代“信号完整性与电源完整性设计与分析”。
2 版图完整性问题、分析与设计上述背板系统中的硬件支撑及无源互联结构基本上都在一种层叠平板结构上实现。
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大多数layout工程师以及SI/硬件工程师都知道, 信号除了不能跨分割层布线之外，一般还不容许参考电源层布线的(当然，这里指的高速高频信号)，为什么不能参考电源层？究竟会带来多大影响？如果叠层空间限制的情况下可以容许哪
些信号参考电源？针对这些问题，本篇将结合ANSYS/Ansoft仿真软件进行理论及仿真方法介绍。
1 参考电源层的回流路径
首先，从信号回流路径的角度开始基本理论的回顾。
一个简单四层PCB信
号通过过孔换层参考电源，其信号的回流路径如图1 示意:
图1 信号回流路径
由上图可见，当高速信号在信号线上传播时，在信号电流向前传播的过程当中，由于与参考平面之间存在容性耦合，所以当发生dV/dt时，就会有电流经耦合电容流向参考平面的现象，传输线正下方位置都会有瞬态电流流回到源端电路。
如果信号的参考为电源平面，那么信号回流将首先流向电源层，然后再通过电源与地网络之间的Cpg流向地网络，最后再经地层流向源端电路，最终形成一个
完整的电流回路。
我们都知道，控制好高速信号的回路阻抗非常关键，因为它直接影响到信号传输特性。
当信号参考电源层布线时，回流路径当中对信号影响最大的就是Cpg电源与地网络之间的容性通道。
它可以是电源地网络上分布复杂的退耦电容，也可能包含电源地层平面之间的平板电容，构成非常复杂，在各个频点所表现的阻抗特性都不一样，难以量化与控制。
所以不建议高速信号参考电源。
那么究竟有多大影响，下面通过仿真软件来帮忙我们看看具体信号传输差异的情况。
2，参考电源层的仿真分析
2.1 基础研究模型的建立
有了以上理论了解之后，接下来通过仿真技术协助研究，到底参考电源层会跟信号传输带来怎样的影响？
为了说明问题，把模型简单化，这里利用板级仿真工具SIwave的自行建模功能（也可通过版图工具画一个类似PCB走线再导入）建立一个简单的10X10四层PCB, 叠层分布为SIG/GND/PWR/SIG，第二层全部为地，第三层电源平面为一小块不规则平面，如下图，并布置两根传输线，一根为表层走线，此案例中，它属于完全参考地层平面的微带线，一根为表层走线经过孔到底层走线的微带线，属于部分参考地层又部分参考电源层的走线。
即建立了我们需要研究的参考电源的信号模型。
如图2所示：
图2 简单的四层PCB模型
2.2 回流仿真分析
通过SIwave2014以上版本的AC CURRENTS 功能可以进行信号回流路径的仿真分析，只需要在两条传输线两端分别添加相应频率的信号源和负载，即可仿真得到信号源传输时，各个平面层上的电流分别情况。
如图3所示，显示为地层的电流分布，跟前面理论分析结论非常一致。
完全参考地层的传输线，回流路径主要集中在走线正下方，而参考电源层的信号回流会经电源地耦合到地层上，所以在电源与地层重叠的地方分布，不同频点的回流分布也不尽相同，这势必会影响信号传送质量，同时也可能对外界电路造成干扰。
图 3 信号回流分布图
2.3 频域S参数分析
通过对两条传输线建立端口，然后利用SIwave的HFSS 3D Layout（超高频段，还是HFSS精度更让人放心，并且3D layout在模型编辑便捷性及求解效率方面提升很多，不用再在HFSS里面纠结波端口/集总端口的建立）进行SYZ 参数分析之后观察两者之间的插入损耗S21的差异，如图5：
图4 HFSS 3d layout自动建立的三维模型
图5 两条传输线的S21曲线
通过观察S21 曲线，可知在1GHz以下两种走线的传输差异并不太大（这里的频率是指单频点正余炫波，而非方波/时钟频率）。
频率越高，S21 差异相对越大，尤其是在突点尖峰频率。
为什么会有这些尖峰？实际上是来源于电源地平面之间在尖峰频点的谐振，当回流流经这些谐振频点时，自然会有较大的能量损耗。
通过SIwave的谐振分析功能也可进一步验证这一论点，如下图6，SIwave 分析得到的谐振频点，尖峰频点基本都在其中。
图6 SIwave的谐振分析结果
实际上，观察频域曲线差异并不是很直观，因为它们比较的是单频点的传送差异，而通常我们传输的是宽频带的类方波信号，所以在时域上进行波形的对比验证才是最关键的，也是最直观的。
下面通过designer软件导入两条传输线的S参数模型，然后分别施加同样的理想信号源以及50ohm的负载端接，进行时域上的眼图分析，如图7建立仿真电路，观察不同传输频率情况下的差异
图7 Designer建立的时域仿真电路
完成仿真之后，观察10Gbps信号传输眼图，如图8，可以发现参考电源层的传输线，接收眼图的眼睛张开程度已经变得更小，并且眼皮也更粗，抖动加大，如果添加信号源抖动，或信号线再长一些，再经过连接器或过孔或封装这些阻抗不连续互连结构，那么很有可能就会出现信号完整性问题。
随着频率的下降，两者传输信号的质量差异也在逐渐减小，如下面5Gbps和1Gbps信号眼图。
图8 传输10Gbps信号的眼图差异
图9 传输5Gbps信号的眼图差异
图10 传输1Gbps信号的眼图差异
综上所述，信号参考电源层会跟信号质量带来影响，电源地层之间的阻抗会是影响的主要因素，信号频率越高，带来的影响会越明显。
当然也不是所有信号都不能参考电源，具体多少频率什么信号可以参考电源，要看实际layout 以及PDN网络的实际情况，最好能利用仿真软件进行分析验证。
出于理论分析方便，此篇建立的案例模型比较简单，仿真结果主要作对比分析之用，不可作为实际工程的判定参考。
Ansoft zhangwei 2016。