第1篇基础理论篇

第1章高速系统设计简介 2

1.1 PCB设计技术回顾 2

1.2 什么是"高速"系统设计 3

1.3 如何应对高速系统设计 8

1.3.1 理论作为指导和基准 9

1.3.2 积累实践经验 11

1.3.3 平衡时间与效率 11

1.4 小结 12

第2章高速系统设计理论基础 14

2.1 微波电磁波简介 14

2.2 微波传输线 16

2.2.1 微波等效电路物理量 17

2.2.2 微波传输线等效电路 17

2.3 电磁波传输和反射 21

2.4 微波传输介质 24

2.4.1 微带线(Microstrip Line) 25

2.4.2 微带线的损耗 26

2.4.3 带状线(Strip Line)28

2.4.4 同轴线(Coaxial Line) 29

2.4.5 双绞线(Twist Line) 30

2.4.6 差分传输线 30

2.4.7 差分阻抗 33

2.5"阻抗"的困惑 33

2.5.1 阻抗的定义 34

2.5.2 为什么要考虑阻抗 35

2.5.3 传输线的结构和阻抗 35

2.5.4 瞬时阻抗和特征阻抗 36

2.5.5 特征阻抗和信号完整性 37

2.5.6 为什么是50Ω 37

2.6 阻抗的测量 38

2.7"阻抗"的困惑之答案40

2.8 趋肤效应 41

2.9 传输线损耗 42

2.10 小结 44

第3章信号/电源完整性 45

3.1 什么是信号/电源完整性 45

3.2 信号完整性问题的分类 47

3.3 高频信号传输的要素 49

3.4 反射的产生和预防 50

3.4.1 反射的产生 51

3.4.2 反射的消除和预防 55

3.5 串扰的产生和预防 67

3.5.1 串扰的产生 67

3.5.2 串扰的预防与消除 71

3.6 电源完整性分析 73

3.6.1 电源系统的设计目标 74

3.6.2 电源系统的设计方法 76

3.6.3 电容的理解 78

3.6.4 电源系统的分析方法 81

3.6.5 电源建模和仿真算法 82

3.6.6 SSN分析和应用84

3.7 电磁兼容性EMC和电磁干扰EMI 88

3.7.1 EMC/EMI和信号完整性的关系 89

3.7.2 产生EMC/EMI问题的根源 90

3.8 正确认识回流路径(参考平面) 92

3.8.1 什么是高频信号的回流路径 92

3.8.2 回流路径的选择 93

3.8.3 回流路径的连续一致性 96

3.9 影响信号完整性的其他因素 97

3.10 小结 97

第2篇软件操作篇

第4章 Mentor高速系统设计工具 100

4.1 Mentor高速系统设计流程 101

4.2 约束编辑系统(Constrain Editor System) 105

4.3 信号/电源完整性分析工具:HyperLynx 109

4.3.1 HyperLynx的工具架构 109

4.3.2 HyperLynx的通用性 113

4.3.3 HyperLynx的易用性 113

4.3.4 HyperLynx的实用性 117

4.3.5 Mentor高速仿真技术的发展趋势 121

4.4 前仿和后仿 122

4.5 HyperLynx -LineSim使用简介 124

4.5.1 分析前准备工作 125

4.5.2 建立信号网络 127

4.5.3 设置仿真条件 128

4.5.4 仿真结果和约束设置 131

4.6 HyperLynx-BoardSim使用简介 132

4.6.1 设计文件的导入 132

4.6.2 设置仿真条件 133

4.6.3 关键网络分析 135

4.6.4 多板联合仿真 137

4.7 HyperLynx -3DEM简介 139

4.8 小结 141

第5章高速系统仿真分析和设计方法 142

5.1 高速电路设计流程的实施条件分析 142

5.2 IBIS模型 144

5.2.1 IBIS模型介绍 144

5.2.2 IBIS模型的生成和来源 146

5.2.3 IBIS模型的常见错误及检查方法 152

5.2.4 IBIS文件介绍 155

5.2.5 如何获得IBIS模型 159

5.2.6 在HyperLynx中使用IBIS模型 160

5.2.7 在Cadence流程中使用IBIS模型 162

5.2.8 DML模型简介 163

5.3 仿真分析条件设置 167

5.3.1 Stackup--叠层设置 168

5.3.2 DC Nets--直流电压设置 168

5.3.3 器件类型和管脚属性设置 169

5.3.4 SI Models--为器件指定模型 171

5.4 系统设计和(预)布局 173

5.5 使用HyperLynx进行仿真分析 176

5.5.1 拓扑结构抽取 176

5.5.2 在HyperLynx中进行仿真 177

5.6 约束规则生成 183

5.6.1 简单约束设计--Length/ Delay 183

5.6.2 差分布线约束--Diff Pair 184

5.6.3 网络拓扑约束--Net Scheduling 185

5.7 约束规则的应用 187

5.7.1 层次化约束关系 187

5.7.2 约束规则的映射 189

5.7.3 CES约束管理系统的使用190

5.8 布线后的仿真分析和验证 191

5.8.1 布线后仿真的必要性 191

5.8.2 布线后仿真流程 192

5.9 电源完整性设计方法和流程 194

5.9.1 确定电源系统的目标阻抗 196

5.9.2 DC Drop--直流压降分析 197

5.9.3 电源平面谐振点分析 199

5.9.4 VRM去耦作用分析 202

5.9.5 去耦电容的集总式交流特性分析 204

5.9.6 去耦电容的分布式交流特性分析 206

5.9.7 电源噪声特性分析 207

5.9.8 电源平面模型抽取 209

5.9.9 HyperLynx-PI电源系统设计流程总结 210

5.9.10 创建VRM模型 211

5.9.11 电容的布局和布线 213

5.9.12 合理认识电容的有效去耦半径 215

5.10 小结 217

第3篇 DDR系统仿真及案例实践篇

第6章 DDRx系统设计与仿真分析 220

6.1 DDR系统概述 220

6.2 DDR规范解读 222

6.2.1 DDR规范的DC和AC特性 223

6.2.2 DDR规范的时序要求 225

6.2.3 DDR芯片的电气特性和时序要求 226

6.2.4 DDR控制器的电气特性和时序要求 229

6.2.5 DDR刷新和预充电 230

6.3 DDRx总线技术发展 233

6.3.1 DDRx信号斜率修正 233

6.3.2 DDRx ODT的配置 236

6.3.3 从DDR2到DDR3 237

6.3.4 DDR3的WriteLeveling 238

6.3.5 DDR2及DDR3的协议变化 239

6.4 DDRx系统仿真分析方法 240

6.4.1 在HyperLynx中仿真DDRx系统 240

6.4.2 仿真结果的分析和解读 253

6.5 LPDDRx简介254

第4篇高速串行技术篇

第7章高速串行差分信号设计及仿真分析 258

7.1 高速串行信号简介 259

7.1.1 数字信号总线时序分析 259

7.1.2 高速串行总线 262

7.1.3 Serdes的电路结构 264

7.1.4 Serdes的应用 265

7.2 高速串行信号设计 266

7.2.1 有损传输线和信号(预)加重 267

7.2.2 表面粗糙度对传输线损耗的影响 270

7.2.3 高频差分信号的布线和匹配设计 271

7.2.4 过孔的Stub效应 273

7.2.5 连接器信号分布 275

7.2.6 加重和均衡 276

7.2.7 码间干扰ISI和判决反馈均衡器DFE 278

7.2.8 AC耦合电容 281

7.2.9 回流路径的连续性 285

7.2.10 高速差分线的布线模式和串扰 286

7.2.11 紧耦合和松耦合 287

7.3 高速串行信号仿真分析 289

7.3.1 系统级仿真 289

7.3.2 S参数(Scattering parameters) 291

7.3.3 互连设计和S参数分析 294

7.3.4 检验S参数质量 300

7.3.5 S参数的使用 305

7.3.6 高速差分串行信号的仿真需求 306

7.3.7 IBIS-AMI模型介绍 308

7.3.8 HyperLynx AMI Wizard通道仿真分析 310

7.3.9 6Gbps，12Gbps!然后 313

7.4 抖动(Jitter) 314

7.4.1 认识抖动(Jitter) 315

7.4.2 实时抖动分析 316

7.4.3 抖动各分量的典型特征 318

第5篇结束与思考篇

第8章实战后的思考 324

术语和缩略词 329

电路设计，尤其是现代高速电路系统的设计，是一个随着电子技术的发展而日新月异的工作，具有很强的趣味性，也具有相当的挑战性。本书的目的是要使电子系统设计工程师们能够更好地掌握高速电路系统设计的方法和技巧，跟上行业发展要求。因此，本书由简到难、由理论到实践，以设计和仿真实例向读者讲解了信号/电源完整性的相关现象，如何使用EDA工具进行高速电路系统设计，以及利用仿真分析对设计进行指导和验证。此书的所有实例将在Mentor公司的HyperLynx相关工具中实现。

1. 介绍目前流行的DDR2或DDR3的设计方法和难点，以及如何利用现有的仿真工具完成对DDR系统的仿真和验证工作。

2.结合HyperLynx的PI工具，详细讲述如何使用HyperLynx进行电源系统仿真的方法和流程，以及前仿和后仿的实施步骤。

3.介绍目前流行的高速差分串行技术背景、信号特点和系统设计难度、仿真方法，以及丰富实践案例和经验。

本书内容由简到难，由理论到实践，被划分为四大部分。

第1篇(第1章到第3章)基础理论篇

首先回顾了电子系统的设计发展过程，介绍了高速电路系统设计所面临的问题和挑战，然后阐述了高速信号的基本理论知识。此部分内容意在提醒读者在高速电路系统中遇到的新问题，以及解决这些问题所需的理论基础。这部分加入了笔者对于高速信号的理解和经验的总结，使得读者能够在较短的时间内，初步掌握高速电路设计的难点和设计方向，以及必备的理论基础知识。

第2篇(第4章到第5章)软件操作篇

介绍Mentor高速电路设计的工具和流程，也就是在Mentor工具环境中设计高速电路系统，应该遵循怎样的工作流程，选择哪些工具来完成各个阶段的设计任务，从而实现高速电路设计。

但是，在此提醒读者的是，这一章的内容，不是对Mentor工具使用手册的翻译，而是从一个较高的角度，向读者说明，要想在Mentor设计环境中实现高速设计，应该掌握Mentor的哪些工具，以及从哪些角度来学习和掌握这些工具。它并不是对Mentor软件手册的逐一翻译。如果读者需要逐一了解Mentor工具软件的每一项功能和使用方法，需要去寻找专门介绍工具使用的相关书籍，或者直接向Mentor公司咨询软件培训事宜。

第3篇(第6章)DDR系统仿真及案例实践篇

此部分是本书的重点之一。在本篇内容中，首先要带领读者学习DDR、DDR2和DDR3之间一脉相承的技术发展道路，以及它们之间的区别和它们相应的设计难点。在充分了解DDR技术的基础上，通过对一个DDR3存储模块的设计分析，结合第二部分介绍的软件流程和使用，一步一步地带领读者完成整个DDR3系统的仿真和设计工作，使读者能够在实际的操作过程中掌握软件的使用方法，建立高速电路设计的概念和工作方法，希望通过本章的学习，能够让读者在Mentor工具的辅助之下，不再对高速电路设计和复杂协议存有惧怕心理，让高速电路设计变得轻松。

第4篇(第7章)高速串行技术篇

本部分的内容，对正在快速发展并得到广泛应用的高速串行差分信号的分析与设计技术进行了讲解。由于近年来技术的发展，高速差分信号已经普遍应用于各种高速系统中，但是对于5Gbps以上的高速信号完整性的理解，以及和传统的仿真方法和设计流程的区别，使得5Gbps以上的高速差分系统的设计对于很多企业和工程师来说还是一个障碍。在本篇中，笔者首先介绍了对于高速差分系统进行信号仿真的方法和设计流程，不同于传统信号的处理方法以及需要重新考虑的因素;然后，结合在此领域的实际设计经验，给出了具体应对5Gbps以上的高速差分信号仿真方法的实践技巧，可作为读者在实际工作中的指导原则。

第5篇(第8章)结束与思考

本部分内容是笔者关于从事高速电路设计的心得和对技术发展的展望。

书中出现这个标记的地方，是提醒读者注意的阅读重点，或者实践经验与技巧。

两年前，我出版了一本名为《高速电路系统设计与仿真分析:Cadence实例设计详解》的书。在该书中讲述了如何使用Cadence工具进行高速电路系统设计，以及利用仿真分析对设计进行指导和验证。此书出版之后，得到了很多读者积极的响应，同时也得到了很多读者建设性的反馈。其中有三条意见成为我再版此本书的重要理由:

 在上一版的书中，所介绍的DDR设计技术略显过时，无论是DDR技术本身，还是设计难度现在都已经不具有挑战性。在不到一年的时间里，DDR2技术得到了广泛应用，基本取代了原来的DDR地位，而且DDR3也越来越多地出现在各种产品中。因此很多读者反映，希望能够介绍目前流行的DDR2或DDR3的设计方法和难点，以及如何利用现有的仿真工具完成对DDR系统的仿真和验证工作。

 对于电源完整性的仿真分析，业界一直停留在"指导"性的阶段，没有可以参照的工程可行的方法。因此，在本书中，结合HyperLynx的PI工具，详细讲述如何使用HyperLynx进行电源系统仿真的方法和流程，以及前仿和后仿的实施步骤。

 随着高性能系统的发展，几乎所有的高速数据接口都已经采用差分串行信号体制，正如我上一版书的预计，6Gbps系统已经普遍应用，越来越多的厂商开始在设计中尝试10Gbps技术。因此，在这本书中，希望介绍目前流行的高速差分串行技术的背景、信号特点和系统设计难度、仿真方法，以及丰富实践案例和经验。

诚然，在前一版书出版至今的一年时间之内，DDR2技术已经广泛应用于电子系统的各个领域，无论是高性能的大型电子系统还是精巧细致的手持设备。而高速差分信号的应用也从一年前的5Gbps发展到了10Gbps，几乎成为高速数据接口的唯一形式，成为目前越来越热的设计话题。也正是因为在如此高的信号频率下，信号的传播特征以及分析方法都完全不同于GHz以下的低频信号，因此，也确实有必要通过充实本书的内容，把这项技术传播给大家，让更多的工程师能够更快地掌握和应用这项技术。

除了上述再版理由，还有一个来自我自身的动力，就是通过上一版书的出版，以及和读者的后续交流中发现，国内的SI工程师正逐渐走向成熟，更多的工程师已经不满足于只是对于某个SI现象和处理方法的讨论和学习，他们更渴望得到清晰的理论知识和技术背景，因此在这本书里对一些SI现象的技术背景内容进行了更多的补充。

本书将继承前一版书的写作风格，在讲解各项技术以及信号/电源完整性的相关现象的同时，尽量以设计和仿真实例向读者展示所要说明的问题。但是和前一版书所不同的是，此书的所有实例将在Mentor公司的HyperLynx相关工具中实现。这样做的目的有二:一是因为应广大读者的需求，对Mentor用户群有所倾向;二是，Mentor的HyperLynx工具在高速电路的仿真分析中确实有独特的优势。而且，从目前业界发展的状态和趋势来看，无论是国际化IT行业领军的大公司、外企，还是国内企业，已经越来越多地抛弃原来的设计工具和流程，逐渐转向Mentor的设计环境和工具链。由于我本人所具有的一些特殊信息渠道，故已经看到或者感受到这种变化。

因此，从工程师的角度讲，我也想提醒广大电子行业的工程师，如果能敏锐地抓住机会，选择主流EDA设计工具，同时也可以增加自身的行业竞争力。无论从技术角度还是读者需求，此次的所有实例，都将基于Mentor的高速设计流程和环境。(关于Mentor的高速设计流程和工具变化以及发展趋势，将在最后一章对技术发展的展望和心得交流中做比较详细的介绍。)

邵鹏

2013年2月于北京

《信号完整性分析与设计》为电子信息与电气学科规划教材·电子信息科学与工程类专业。

《信号完整性分析与设计》以高速PCB/封装为主要研究对象，辅之以典型的仿真示例，深入阐明电路中信号完整性(SI)、电源完整性(PI)和电磁完整性(EMI)三类性能分析技术。内容侧重于引导对高速电路原理的感悟和理解，注重培养工程师们对高速设计的直觉把握。

《信号完整性分析与设计》以深入浅出的方式，从系统及电路的高速效应出发，对互连设计与完整性分析技术进行全方位、多角度的透视;完整论述SI、PI和EMI间的相关机理和本质;着力揭示无源元件的物理及拓扑结构与复杂电气性能之间的内在联系;附录还介绍了高速信令和PI仿真技术。

书中介绍的技术可直接指导实际高速电路与系统的设计与分析，具有很强的工程实用性。《信号完整性分析与设计》的读者覆盖面广，可以作为研究生学习广义信号完整性的课程教材或参考书，也可以作为高速电路与系统设计师们的研发手册与实践指南。