信号完整性
信号完整性常用的三种测试方法
信号完整性常用的三种测试方法信号完整性是指在传输过程中信号能够保持原始形态和准确性的程度。
在现代高速通信和数字系统中，信号完整性测试是非常重要的工作，它能够帮助工程师评估信号的稳定性、确定系统的极限速率并发现信号失真的原因。
下面将介绍三种常用的信号完整性测试方法。
一、时域方法时域方法是信号完整性测试中最常见和最直观的方法之一、它通过观察信号在时间轴上的波形变化来评估信号的完整性。
时域方法可以检测和分析许多类型的信号失真，如峰值抖动、时钟漂移、时钟分布、幅度失真等。
时域方法的测试设备通常包括示波器和时域反射仪。
示波器可以显示信号的波形和振幅，通过观察波形的形状和幅度变化来判断信号完整性。
时域反射仪可以测量信号在传输线上的反射程度，从而评估传输线的特性阻抗和匹配度。
二、频域方法频域方法是另一种常用的信号完整性测试方法。
它通过将信号转换为频域表示，分析信号的频谱分布和频率响应来评估信号完整性。
频域方法可以检测和分析信号的频谱泄漏、频谱扩展、频率失真等。
频域方法的测试设备通常包括频谱分析仪和网络分析仪。
频谱分析仪可以显示信号的频谱图和功率谱密度，通过观察频谱的形状和峰值来评估信号完整性。
网络分析仪可以测量信号在不同频率下的响应和传输损耗，从而评估传输线的频率响应和衰减特性。
三、眼图方法眼图方法是一种特殊的信号完整性测试方法，它通过综合时域和频域信息来评估信号的完整性。
眼图是一种二维显示，用于观察信号在传输过程中的失真情况。
眼图可以提供信号的时钟抖动、峰值抖动、眼宽、眼深、眼高等指标。
眼图方法的测试设备通常包括高速数字示波器和信号发生器。
高速数字示波器可以捕捉信号的多个周期，并将其叠加在一起形成眼图。
通过观察眼图的形状和特征，工程师可以评估信号的稳定性和传输质量。
总结起来，时域方法、频域方法和眼图方法是常用的信号完整性测试方法。
它们各自具有独特的优势和适用范围，可以互相协作来全面评估信号的完整性。
在实际应用中，根据具体需求和测试对象的特点，选择合适的测试方法是非常重要的。
信号完整性不好的原因
信号完整性不好的原因1.信号传输介质的质量不佳：信号传输介质如电缆或光纤等，如果质量不佳或老化严重，会导致信号衰减、干扰、失真等问题，从而影响信号的完整性。
例如，电缆中的绝缘层损坏或老化会导致信号泄露，降低信号完整性。
2.杂散干扰：设备周围的电磁场干扰、辐射噪声、接地问题等都可能导致信号的杂散干扰。
这些干扰源可以是其他设备、电源线或磁场等，它们在信号传输的过程中引入了附加噪声，从而破坏信号的完整性。
3.传输距离过长：信号传输的距离过长会引起信号衰减，尤其是高频信号更为明显。
当信号到达接收端时，由于衰减导致的信号失真可能使其无法被正确解码或识别。
4.多径传播：在无线传输中，由于反射、折射等现象造成的多路径传播会使接收端收到多个不同的信号，其中包含有关同一信号的多个副本。
这些副本可能存在路径衰减、相位错位等问题，导致信号的完整性受到破坏。
5.时钟同步问题：在一些应用中，特别是在高速数据传输中，时钟同步是至关重要的。
如果发送端和接收端的时钟不同步，可能会导致数据的传输速率不匹配，从而影响信号的完整性。
6.设计不当：信号完整性问题也可能源于设计不当。
例如，布线设计不合理、信号层与电源层的绕线布局不当、接地布局不恰当等，都可能导致信号互相干扰，从而降低信号完整性。
7.温度和湿度变化：环境因素如温度和湿度的变化可能导致信号传输介质的物理性质发生变化，从而影响信号的传输质量。
例如，高温环境会导致电缆中的电阻值增加，从而影响信号传输的完整性。
为了提高信号的完整性，可以采取以下措施：1.使用高质量的信号传输介质：选择品质良好、适用于特定应用场景的电缆、光纤等信号传输介质。
2.使用合适的屏蔽方式：对于存在干扰问题的信号传输，可以采用合适的屏蔽方式，如使用屏蔽电缆、增加屏蔽层等来降低干扰。
3.设备的正确接地：良好的接地可以减少干扰引入和信号回流，提高信号的完整性。
4.选择合适的传输距离：避免信号传输距离过长，适当增加信号放大器或中继设备。
现代通信系统中的信号完整性分析
现代通信系统中的信号完整性分析在当今高度数字化和信息化的时代，通信系统的性能和可靠性对于我们的日常生活和工作至关重要。
无论是手机通信、互联网数据传输，还是卫星通信、广播电视等领域，都依赖于高效、准确的信号传输。
而在这一过程中，信号完整性成为了一个关键的因素，它直接影响着通信的质量和稳定性。
信号完整性，简单来说，就是指信号在传输过程中保持其原有特性和质量的能力。
如果信号在传输过程中出现失真、衰减、反射、串扰等问题，就会导致通信系统的性能下降，甚至出现通信故障。
那么，是什么原因导致了这些信号完整性问题的出现呢？首先，传输线的特性是影响信号完整性的一个重要因素。
在现代通信系统中，信号通常通过各种传输线进行传输，如电缆、微带线、双绞线等。
这些传输线具有一定的电阻、电感和电容特性，当信号在其中传输时，会产生信号的衰减和失真。
特别是在高速传输的情况下，传输线的寄生参数会对信号产生更大的影响。
其次，信号的反射也是一个常见的问题。
当信号在传输线的终端遇到不匹配的阻抗时，就会发生反射。
反射信号会与原信号叠加，导致信号的波形发生畸变，从而影响信号的完整性。
为了减少反射，通常需要在传输线的终端进行阻抗匹配，以确保信号能够顺利传输。
串扰也是影响信号完整性的一个重要因素。
在通信系统中，往往存在着多条并行的传输线，当信号在其中一条传输线上传输时，会通过电磁场的耦合在相邻的传输线上产生干扰信号，这就是串扰。
串扰会导致信号的噪声增加，降低信号的质量。
为了减少串扰，需要合理地设计传输线的布局和间距。
除了上述因素外，电源噪声、时钟抖动等也会对信号完整性产生影响。
电源噪声会导致信号的电压波动，从而影响信号的准确性；时钟抖动则会导致时钟信号的不稳定，影响整个系统的同步性能。
为了分析和解决信号完整性问题，工程师们通常采用一系列的方法和技术。
其中，仿真分析是一种常用的手段。
通过建立通信系统的模型，利用专业的仿真软件对信号的传输过程进行模拟，可以预测可能出现的信号完整性问题，并采取相应的措施进行优化。
信号完整性分析
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信号完整性分析在高速数字系统中 的应用
信号完整性分析在数字信号处理系 统中的应用
高速数字接口设计
应用场景：高速数字接口设计是信号完整性分析的重要应用场景之一
设计目标：保证信号传输的稳定性和可靠性
设计挑战：高速数字接口设计面临着信号传输速度、信号完整性、信号干扰等问题
建立信号完整 性分析的数学 模型
验证模型的准 确性和可靠性
优化模型，提 高分析结果的 准确性和可靠 性
仿真分析
仿真模型搭建：根 据实际电路搭建仿 真模型
仿真参数设置：设 置仿真参数，如频 率、阻抗等
仿真结果分析：分 析仿真结果，如信 号质量、时延等
仿真优化：根据仿 真结果进行优化， 如调整电路参数、 增加滤波器等
结果解读与优化建议
结果解读：根据分析结果，判断信号的完整性 优化建议：针对分析结果，提出针对性的优化方案 实施方案：根据优化建议，制定实施计划并执行 效果评估：对优化后的信号进行再次分析，评估优化效果
信号完整性分析的 应用场景
高速数字系统设计
信号完整性分析在数字电路设计中 的应用
信号完整性分析在数字通信系统中 的应用
信号完整性分析的 流程
确定分析目标
确定信号完整性分析的目标， 如提高信号传输质量、降低信 号干扰等
确定分析的范围，如系统级、 模块级、芯片级等
确定分析的指标，如信号传输 延迟、信号抖动、信号失真等
确定分析的方法，如仿真分析、 实验验证等
建立模型
确定信号完整 性分析的目标 和需求
收集和分析信 号完整性相关 的数据
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信号完整性分析
汇报人：
电路设计中的信号完整性SI问题分析与解决
电路设计中的信号完整性SI问题分析与解决引言：在现代电子设备中，信号完整性是一个至关重要的问题。
由于信号的传输速度越来越高，信号完整性问题变得尤为突出。
本文将分析信号完整性（Signal Integrity，简称SI）问题在电路设计中的重要性，并介绍一些常见的SI问题及其解决方法。
一、信号完整性的重要性信号完整性是指在信号传输过程中保持信号波形的准确性和完整性，确保信号的正确传递和解读。
如果信号受到干扰、衰减或失真，可能会导致数据的错误传输或丢失。
这对于各种电子设备，尤其是高速数据传输的系统来说，都是一项极其重要的考虑因素。
二、常见的SI问题1. 反射干扰反射干扰是信号在多个传输线之间传播时产生的一种干扰现象。
当信号到达传输线末端时，一部分信号能够反射回来，与输入信号相叠加，引起波形失真。
这种干扰主要由于阻抗不匹配引起。
2. 串扰干扰串扰干扰是指在多条相邻的传输线上，信号在传输过程中相互影响的现象。
这种干扰主要由于电磁场相互耦合引起，导致信号波形失真，降低信号质量。
3. 时钟抖动时钟抖动是指时钟信号在传输中出现的随机时移现象。
时钟抖动可能导致时序错误，使系统无法正确同步，进而影响整个系统的性能。
三、SI问题的解决方法1. 降低阻抗不匹配为了解决反射干扰问题，可以通过匹配传输线和负载的阻抗，减少信号反射。
采用合适的终端电阻，可以使信号在传输线上的反射最小化。
2. 优化布线方式在设计电路板布线时，应尽量避免传输线之间的相互干扰。
合理安排和分隔传输线的布局，使用屏蔽层和地平面层等技术手段，可有效减少串扰干扰。
3. 使用信号完整性分析工具借助信号完整性分析工具，可以模拟和分析信号在电路板上的传输过程，帮助发现潜在的SI问题。
通过调整设计参数，优化电路板布线，可以提前预防并解决SI问题。
4. 时钟校准技术对于时钟抖动问题，可以采用时钟校准技术来调整时钟信号的时序和相位。
通过使用高精度的时钟源和时钟校准电路，可以有效减少时钟抖动带来的问题。
《信号完整性培训》课件
信号完整性仿真软件介绍
仿真软件的种类与功能
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信号完整性仿真软件：用于 模拟信号在电路中的传输和 干扰情况，评估信号完整性
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功能：提供信号完整性分析、 优化和验证功能，帮助设计 者优化电路设计，提高信号
传输质量
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仿真软件种类：包括 Cadence、Mentor、
Synopsys等
信号完整性的评估通常包括 信号的幅度、相位、抖动、
噪声等方面的测量。
信号完整性对于电子系统的 性能和可靠性至关重要。
信号完整性的重要性
确保信号传输的准确性和可靠性
降低电磁干扰和噪声
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提高系统稳定性和性能
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提高产品竞争力和品牌价值
信号完整性的影响因素
信号频率：频率 越高，信号完整 性越差
信号串扰的影响：信号串扰会导致信号 误码率增加、信号传输质量下降等问题
信号反射与串扰的解决方法：通过优化 信号传输路径、增加信号隔离度、使用 屏蔽材料等方式进行解决
信号的时序与抖动
时序：信号在时间上的顺序和规律 抖动：信号在传输过程中的不稳定性 抖动类型：随机抖动、确定性抖动、数据相关抖动 抖动影响：可能导致信号失真、传输错误、系统不稳定等
信号幅度：幅度 越大，信号完整 性越差
信号传输路径： 路径越长，信号 完整性越差
信号传输介质：介 质的阻抗、容抗、 感抗等参数会影响 信号完整性
信号完整性的基础理论
信号的传输方式
串行传输：数据按 顺序传输，速度快， 但容易受到干扰
并行传输：数据同 时传输，速度快， 但需要更多的硬件 资源
模拟传输：数据以 模拟信号的形式传 输，抗干扰能力强 ，但传输距离有限
信号完整性
信号完整性（Signal Integrity，简称SI）是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。
是对信号线上信号质量的描述。
如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。
反之，当信号不能正常响应时，就出现了信号完整性问题。
信号完整性问题主要表现为5个方面：延迟、反射、串扰、同步切换噪声(SSN)和电磁兼容性(EMI)。
延迟——延迟是指信号在PCB板的导线上以有限的速度传输，信号从发送端发出到达接收端，其间存在一个传输延迟。
信号的延迟会对系统的时序产生影响，在高速数字系统中，传输延迟主要取决于导线的长度和导线周围介质的介电常数。
反射——当PCB板上导线(高速数字系统中称为传输线)的特征阻抗与负载阻抗不匹配时，信号到达接收端后有一部分能量将沿着传输线反射回去，使信号波形发生畸变，甚至出现信号的过冲和下冲。
信号如果在传输线上来回反射，就会产生振铃和环绕振荡。
串扰——由于PCB板上的任何两个器件或导线之间都存在互容(mutual capacitance)和互感，当一个器件或一根导线上的信号发生变化时，其变化会通过互容和互感影响其它器件或导线，即串扰。
串扰的强度取决于器件及导线的几何尺寸和相互距离。
同步切换噪声——当PCB板上的众多数字信号同步进行切换时(如CPU的数据总线、地址总线等)，由于电源线和地线上存在阻抗，会产生同步切换噪声，在地线上还会出现地平面反弹噪声(简称地弹)。
SSN 和地弹的强度也取决于集成电路的IO特性、PCB板电源层和地平面层的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布线方式。
电磁兼容性——同其它的电子设备一样，PCB也有电磁兼容性问题，其产生也主要与PCB板的布局和布线方式有关。
为什么要做信号完整性分析过去，在系统时钟低于50MHz的电路板设计中，信号完整性(SI)问题并不突出，在设计后期做适当的修改就可消除SI问题或将其影响降至最低。
《信号完整性培训》课件
解决方法
通过在传输线的末端添加 终端电阻来匹配阻抗，消 除反射。
信号串扰
信号串扰定义
当信号在传输线中传播时 ，会受到相邻信号线的干 扰，产生串扰。
串扰产生的影响
串扰会导致信号质量下降 、误码率增加，严重时会 导致通信失败。
解决方法
通过合理布线、增加线间 距、使用屏蔽线等措施来 减小串扰。
信号时序
加强信号完整性测试和测量技 术的研究，提高测试精度和效
率。
探索新的信号完整性设计方法 和优化技术，提高设计效率和
可靠性。
加强信号完整性与其他领域的 交叉研究，如通信、控制、人 工智能等，开拓新的应用领域
。
THANKS
感谢观看
02
它涉及到信号在电路中传输时所 受到的各种影响，如噪声、干扰 、衰减、延迟等。
信号完整性的重要性
保证电路的正常工作
信号完整性的好坏直接影响到电路的 正常工作，如果信号在传输过程中出 现失真或畸变，可能会导致电路工作 异常或出现故障。
提高系统性能
降低系统成本
避免因信号问题导致的系统故障和维 修成本，从而降低整个系统的成本。
合理选择传输线
根据信号类型和传输速率，选择合适的传输 线类型和规格。
使用适当的端接方式
根据传输线的类型和长度，选择合适的端接 方式，如串联端接、并联端接等。
优化布线策略
通过合理的布线，减少信号延迟和反射，提 高信号质量。
抑制电磁干扰
通过增加屏蔽、使用滤波器等手段，降低电 磁干扰对信号的影响。
设计实例分享
示波器和逻辑分析仪
用于捕获和观察信号波形，分析信号的时序和幅度。
网络分析仪和频谱分析仪
用于测量信号的频率响应和传输特性。
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3.2 信号完整性仿真
3.2.1 信号完整性基础
高速PCB的信号线必须按照传输线理论去设计，否则就会产生反射、串扰、过冲和下冲等问题而严重影响信号的完整性。
信号完整性是指信号在电路中以正确的时序和电压作出响应的能力。
如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅度到达IC，则该电路具有较好的信号完整性。
反之，当信号不能正常响应时，就出现了误触发、阻尼振荡、过冲、欠冲等时钟间歇振荡和数据出错等信号完整性问题。
当频率超过50MHz或信号上升时间Tr小于6倍传输线延时时，系统的设计必然面对互连延迟引起的时序问题以及串扰、传输线效应等信号完整性问题。
以下是印象信号完整性的一些现象。
①反射
反射就是信号在传输线上的回波现象。
此时信号功率没有全部传输到负载处，有一部分被反射回来了。
在高速的PCB中导线必须等效为传输线，按照传输线理论，如果源端与负载端具有相同的阻抗，反射就不会发生了。
如果二者阻抗不匹配就会引起反射，负载会将一部分电压反射回源端。
根据负载阻抗和源阻抗的关系大小相同，反射电压可能为正，也可能为负。
如果反射信号很强，叠加在原信号上，很可能改变逻辑状态，导致接受数据错误。
如果在时钟信号上可能引起时钟沿不单调，进而引起误触发。
一般布线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输以及电源平面的不连续等因素均会导致此类反射。
；另外常有一个输出多个接收，这时不同的布线策略产生的反射对每个接收端的影响也不相同，所以布线策略也是影响反射的一个不可忽视的因素。
②串扰
在所有的信号完整性问题中，串扰现象是非常普遍的。
串扰可能会出现在芯片内部，也可能出现在电路板、连接器、芯片封装以及线缆上。
串扰是指在两个不同的电性能之间的相互作用。
产生串扰被称为Aggressor，而另一个收到串扰的被称为Victim。
通常，一个网络既是入侵者，又是受害者。
振铃和地弹都属于信号完整性问题中单信号线的现象，串扰则是自同一块PVB板上的两条信号线与地平面引起的，故也称为三线系统。
串扰是两条信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。
容性耦合引发耦合电流，而感性耦合引起耦合电压。
PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。
③过冲和下冲
过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指最高电压，而
对于下降沿是指最低电压。
下冲是指下一个谷值或峰值。
引起过冲的主要原因为驱动端的驱动能力过强，走线过长引起的反射，阻抗未匹配或电感过大等。
对于过冲最常用的措施是缩短布线长度减少反射和进行源端匹配，通过仿真扫描得到一合适的阻值电阻以消除过冲。
④信号延迟
电路中只能按照规定的时序接受数据，过长的信号延迟可能导致时序和功能的混乱，在低速的系统中不会有问题，但是信号边缘速率加快，时钟速率加快，信号在器件之间的传输时间以及同步时间就会缩短。
由于驱动过载、走线过长都会引起延时，因此在越来越短的时间预算中满足所有门延时，包括建立时间、保持时间、线延迟和偏斜。
由于传输线上的等效电容和电感都会对信号的数字切换产生延迟，加上反射引起的振荡回绕，使得数据信号不能满足接收端器件正确接收所需要的时间，因此会导致接受错误。
⑤单调性
SPECCTRAQuest仿真设计中的单调性通常是由于阻抗未匹配、串扰或多负载引起的信号在逻辑高低电平之间上升沿或下降沿处非单调性。
对于数据、地址等非时钟信号，要尽量消除和减少非单调性的影响，而对于时钟信号，要求其上升沿和下降沿都应具有良好的单调性。
⑥时序
对于数字系统设计来说，时序分析是设计中的重要内容。
尤其是随着百兆总线的出现，信号边沿速率达到皮秒级后，系统性能更取决于前端设计，要求在设计之初必须进行精确地时序分析和计算。
时序分析和信号完整性密不可分，好的信号质量是确保时序关系的关键。
由于反射、串扰等现象造成的信号质量问题都很有可能带来时序的偏移和紊乱，二者必须结合起来才能设计成功。
时序分析的出发点是根据信号建立或保持时间关系来确定设计方案，这种方法贯穿于整个设计流程，包括IC设计、板级设计和系统设计。
以一个典型的同步数字连接路径为例，有效数据在时钟上沿经过延时Tco后由源端发出，到达接收端并满足相应的建立或保持时间要求。
考虑到负载及传输线效应对信号及时序的影响，可以得到信号完整性分析中的分析飞行时间Tof，进而得到实际的布线规则。
⑦地弹
在电路中有大的电流涌动时会引起地弹，如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面上产生电压的波动和变化，这个噪声会影响其他元件的动作。
负载电容的增大、负载电阻的减少、地电感的增大、
同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。
⑧振铃和环绕振荡
振荡就是反复出现过冲和下冲。
信号的振铃和环绕振荡由线上过度的电感和电容引起，振铃属于欠阻尼状态，而环绕振荡则属于过阻尼状态。
信号完整性问题通常发生在周期信号中，如时钟等，振荡和环绕振荡同反射一样也是由于多种因素引起的，振荡可以通过适当的端接予以减少，但是不可能完全消除。
3.2.2 SPECCTRAQuest信号完整性仿真
传统的设计方法在制作的过程中没有仿真软件来考虑信号完整性问题，所以产品很难首次成功，因而降低了生产效率。
只有在设计过程中融入信号完整性分析，才能做到产品在上市时间和性能方面占优势。
信号完整性的研究还是一个不成熟的领域，很多问题只能做定性分析。
为此，在设计过程中首先要尽量应用已经成熟的工作经验，其次是对产品的性能作出预测、评估以及仿真。
在设计过程中可以不断地积累分析能力，不断创新解决信号完整性的方法，利用仿真工具可以得到检验。
由于PCB板级信号完整性分析多种多样，目前市场上还没有一种统一的模型来完成仿真任务。
因此在高速数字PCB板设计中，需要混合几种模型来最大程度地建立关键信号和敏感信号的传输模型。
几种常见模型的性能对比如表3-1所示。
SpecctraQuest Interconnect Designer是Cadence公司为了满足高速系统和板级设计需要而开发的工程设计环境。
它将功能设计和物理实际设计有机地结合在一起，设计工程师能在直观的环境中探索并解决与系统功能息息相关的高速设计问题。
在进行实际的布局和布线之前，SpecctraQuest Interconnect Designer使设计工程师在时间特性、信号完整性、EMI、散热及其他相关问题上做出最优化的设计。
这种统一的考虑不仅在单块板的系统中得到完美体现，更能在多快板构成的系统中，包括ASIC芯片、电路板、连接电缆和插接件等之间的连接进行分析。
仿真流程如图3-14所示。
表3-1 各种模型的性能对比
特性Spice模型IBIS模型V erilog-AMS和
VHDL-AMS
精度精确好好
高频设计支持可达几至几十
GHz级适合1GHz以下V4.1扩展支持
GHz上
地弹、回流建模支
持
支持不支持不支持
目标IC支持PCB和系统设计IC、PCB和系统设
计
目标电路模拟电路，混合信
号
数字电路混合信号
模型级别晶体管、MOS管、
二极管等数字引脚I/O、I/V
和V/T曲线
行为模型
计算速度/计算量慢/大快/小速度和精度的折
衷
模型来源IC厂家、SPICE
厂家、仿真器厂家
IC和仿真器厂家仿真器厂家
模型规范的版本Ph.D.thesis，1972
SPICE 2G6，1984 不断有新的模型
支持
1.0 1993
3.2 1999
4.1 2004
V erilog-AMS
1998
VHDL-AMS 1999。