基于信号完整性分析的高速数字PCB的设计方法 （2）
4. 信号完整性分析模型
在基于信号完整性计算机分析的PCB设计方法中，最为核心的部分就是PCB板级信号完整性模型的建立，这是与传统的设计方法的区别之处。
SI模型的正确性将决定设计的正确性，而SI模型的可建立性则决定了这种设计方法的可行性。
4.1. PCB设计的SI模型
在电子设计中已经有多种可以用于PCB板级信号完整性分析的模型。其中最为常用的有三种,分别是SPICE、IBIS和Verilog-A。
a. SPICE模型
SPICE是一种功能强大的通用模拟电路仿真器。现在SPICE模型已经广泛应用于电子设计中，并且衍生出两个主要的版本：HSPICE和PSPICE，HSPICE主要应用于集成电路设计，而PSPICE主要应用于PCB板和系统级的设计。
SPICE模型由两部分组成：模型方程式(Model Equations)和模型参数(Model Parameters)。由于提供了模型方程式，因而可以把SPICE模型与仿真器的算法非常紧密地联接起来，可以获得更好的分析效率和分析结果。
采用SPICE模型在PCB板级进行SI分析时，需要集成电路设计者和制造商提供详细准确描述集成电路I/O 单元子电路的SPICE模型和半导体特性的制造参数。由于这些资料通常都属于设计者和制造商的知识产权和机密，所以只有较少的半导体制造商会在提供芯片产品的同时提供相应的SPICE模型。
SPICE模型的分析精度主要取决于模型参数的来源(即数据的精确性)，以及模型方程式的适用范围。而模型方程式与各种不同的数字仿真器相结合时也可能会影响分析的精度。除此之外，PCB板级的SPICE模型仿真计算量较大，分析比较费时。
b. IBIS模型
IBIS模型最初是由Intel公司开发专门为用于PCB板级和系统级的数字信号完整性分析的模型。现在由IBIS开放论坛管理，并且成为了正式的工业标准(EIA/ANSI 656-A)。
IBIS模型采用I/V和V/T表的形式来描述数字集成电路I/O单元和引脚的特性。由于IBIS模型无需描述I/O 单元的内部设计和晶体管制造参数，因而得到了半导体厂商的欢迎和支持。现在各主要的数字集成电路制造商都能够在提供芯片的同时提供相应的IBIS模型。
IBIS模型的分析精度主要取决于I/V和V/T表的数据点数和数据的精确度。由于基于IBIS模型的PCB板级仿真采用查表计算，因而计算量较小，通常只有相应的SPICE模型的1/10到1/100。
c. Verilog-AMS模型和VHDL-AMS模型
Verilog-AMS和VHDL-AMS出现还不到4年，是一种新的标准。作为硬件行为级的建模语言，Verilog-AMS和VHDL-AMS分别是Verilog和VHDL的超集，而Verilog-A则是Verilog-AMS的一个子集。
与SPICE和IBIS模型不同的是，在AMS语言中是由用户来编写描述元器件行为的方程式。与IBIS模型相类似，AMS建模语言是独立的模型格式，可以应用在多种不同类型的仿真工具中。AMS方程式还能够在多种不同的层次上来编写：晶体管级、I/O 单元级、I/O 单元组等。
由于Verilog-AMS和VHDL-AMS是一种新的标准，迄今为止只有少数的半导体厂商能够提供AMS模型，目前能够支持AMS的仿真器也比SPICE和IBIS的要少。但AMS模型在PCB板级信号完整性分析中的可行性和计算精度毫不逊色于SPICE和IBIS模型。
上述几种模型的性能对比如表中所示：
4.2 模型的选用
由于目前还没有一种统一的模型来完成所有的PCB板级信号完整性分析，因此在高速数字PCB板设计中，需要混合上述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。
1、对于分立的无源器件，可以寻求厂家提供的SPICE模型，或者通过实验测量直接建立并使用简化的SPICE模型。
2、对于关键的数字集成电路，则必须寻求厂家提供的IBIS模型。目前大多数集成电路设计和制造商都能够通过Web网站或其它方式在提供芯片的同时提供所需的IBIS模型。
3、对于非关键的集成电路，若无法得到厂家的IBIS模型，还可以依据芯片引脚的功能选用相似的或缺省的IBIS模型。当然，也可以通过实验测量来建立简化的IBIS模型。
4、对于PCB板上的传输线，在进行信号完整性预分析及解空间分析时可采用简化的传输线SPICE模型，而在布线后的分析中则需要依据实际的版图设计使用完整的传输线SPICE模型。
5. 设计方法与现有EDA软件的结合
目前在PCB设计业还没有一个集成的EDA软件来完成上述的设计方法，因此必须通过一些通用的软件工具的结合来实现。
1、运用通用的SPICE软件(如PSPICE，HSPICE等)，对分立、无源器件和PCB上的传输线建立SPICE模型，并调试验证。
2、将已经获得的各元器件及传输线的SPICE/IBIS模型加入到通用的信号完整性分析软件中，如SPECCTRAQuest、HyperLynx、Tau、IS_Analyzer等，建立信号在PCB板上的SI分析模型，并进行信号完整性的分析计算。
3、运用SI分析软件自带的数据库功能，或使用其它通用的数据库软件，对仿真运算的结果进行进一步整理和分析，搜寻理想的解空间。
4、将解空间的边界值作为PCB电路设计的依据和版图设计的约束条件，采用通用PCB设计的EDA软件，如OrCAD、Protel、PADS、PowerPCB、Allegro和Mentor等来完成PCB电路设计和版图设计。
5、当PCB版图设计完成后，可以通过上述版图设计软件将实际设计线路的参数(如拓扑结构、长度、间距等)自动或手动地提取出来，送回到前面的信号完整性分析软件进行布线后的SI分析，以验证实际设计是否符合解空间的要求。
6、当PCB板制造出来后，还可通过实验仪器的测量来验证各模型及仿真计算的正确性。
本文小结：
该设计方法对于高速数字PCB板的设计开发具有很强的实用意义，不仅能够有效地提高产品设计的性能，而且可以大幅缩短产品开发周期，降低开发成本。可以预见，随着信号完整性分析的模型以及计算分析算法的不断完善和提高，基于信号完整性计算机分析的PCB设计方法将会越来越多地应用于电子产品设计之中。
参考文献：
《High-Speed Digital System Design》 Stephen H. Hall, Garrett W. Hall, James A. McCall; Wiley-Interscience Publication; 2000.
《High-Speed Digital Design，A Handbook of Black Magic》 Howard Johnson, Martin Graham; Prentice Hall PTR; 1993.
《Modeling and Simulation for Signal Integrity》 Dr. Lynne Green；Cadence Design Systems Inc. 2000.
哎呀，你打算钻研仿真啦?
还没有，只是了解了解
居然没有IBIS_AMI模型?很老的文章了哦！
哦 看样子得好好的学习一下。