當前，電子系統設計已經全面進入高速電路設計領域，時鐘頻率的提高和電路板集成度的增加引發了諸多的信號完整性問題。信號完整性問題已經引起了國內外的普遍重視。國外對信號完整性問題的研究起步較早，在理論和技術方面已經出版了相關的多本教材。國內的幾大知名IT企業為了縮短產品周期、降低研發成本，陸續建立了專門的信號完整性分析部門，并編寫了設計規范。此外，國內也翻譯或編寫了相關的教材及專著。

我校于2002年舉辦了信號完整性培訓班，作者參與了其培訓教材的編寫。近年來，作者開設了“高速電路信號完整性分析”校級開放實驗課，并在教學和科研中，積累了一定經驗。作者深知，信號完整性問題僅了解理論是不夠的，在學習了理論的基礎上需要結合大量仿真才能體會并掌握理論。現已出版的教材和專著，或是偏重理論或是只講軟件使用，很少有將信號完整性的理論與詳細的原理性仿真結合起來的，本書的出現彌補了這一不足。

本書理論與原理性仿真結合緊密，注重對工程實際問題的解決，可操作性強。力求做到讀者在碰到實際PCB設計問題時，可以依照本書提出的相應步驟建立仿真模型并分析；同時讓讀者了解到PCB設計中的實際物理結構可能存在的問題。本書的例子，來自于作者在教學中積累的大量的仿真實例，另一部分，來自于ANSYS公司授權的一些工程實例。通過每一章的理論介紹，先對相應的信號完整性問題有一個整體認識，再通過大量的原理仿真實例和工程應用實例，幫助讀者深入理解理論，指導實際的工程設計，做到不僅會用軟件，而且可以用軟件指導設計。

本書包括11章。其中第1章、第2章、第4～11章均由房麗麗編寫，第3章邀請ANSYS公司的李寶龍編寫。

第1章介紹了信號完整性問題的基本問題，包括定義、成因及分類。

第2章介紹了高速電路新設計方法學的流程，并對高速互連通道的建模進行了討論。

第3章介紹了ANSYS用于信號完整性分析的EDA軟件。包括HFSS、SIwave、Designer、Q2D等。

第4章分析了反射的產生機理，對不同端接形式、不同拓撲結構、典型不連續結構的反射問題進行了分析探討，并給出了消除反射的措施。

第5章分析了傳輸線的導體損耗和介質損耗所帶來的信號完整性問題及其解決方法。

第6章分析了串擾的產生原理，并通過大量例子逐一講解。此外還給出減小串擾的布線方法。

第7章分析了電源完整性的相關問題，包括SSN噪聲、諧振等，并通過大量工程實例介紹了電源完整性的EDA軟件分析流程。

第8章介紹了差分線的基本理論，分析了差分傳輸的優點，并進行了不同條件下的差分線仿真。

第9章介紹了縫隙和孔這兩種典型的不連續結構，討論了地回流問題，并進行了典型條件下的縫隙/過孔分析。

第10章介紹了高速信號的EMI輻射原理，并進行了工程實例仿真。

第11章介紹了場路協同仿真，通過實例詳細介紹了協同的步驟，進行了仿真結果與測試結果的比較。

在此要感謝ANSYS公司和中國水利水電出版社為本書出版提供的幫助。感謝北京理工大學實驗設備處提供的相關項目支持和幫助。感謝實驗室的研究生李成娟、師婷、王偉、劉春明、李瑩、張誠、劉遲、李名游、程磊、原浩鵬、秦亞楠、蔣哲、臧家偉參與了部分資料整理工作。還要特別感謝應子罡博士，他審閱了全稿，并提出了寶貴的意見和建議。

回顧在多年的信號完整性教學和研究中，幫助過我的人有很多，在此衷心感謝北京理工大學信息與電子學院微波技術研究所的呂昕教授、孫厚軍教授和王學田教授，感謝你們一直以來的關心和支持。非常感謝ANSYS公司的李寶龍和丁海強，和你們在信號完整性仿真方面的討論為本書提供了有益的幫助。

盡管編者付出了大量的艱苦工作來編寫本書，但由于時間緊迫，水平所限，缺點與錯誤在所難免，歡迎使用本書的讀者批評指正。

作者聯系方式：fanglili@bit.edu.cn

序
前言

第1章 信號完整性的基本問題 1
1.1 高速電路的定義 1
1.2 信號完整性的定義 1
1.3 信號完整性產生的原因及要求 2
1.3.1 信號完整性產生的原因 2
1.3.2 波形完整性要求 2
1.3.3 時序完整性要求 2
1.4 信號的時域和頻域特性 3
1.4.1 信號的時域和頻域 4
1.4.2 電路分析的時域和頻域 6
1.5 信號的上升沿和帶寬 6
1.5.1 脈沖波形的性質 6
1.5.2 非理想脈沖有效頻譜的上限頻率和
下限頻率 9
1.6 信號完整性問題的分類 11
1.7 單網絡信號完整性問題 11
1.7.1 信號反射（reflection） 11
1.7.2 信號的衰減（attenuation） 12
1.7.3 信號的色散（dispersion） 13
1.8 多網絡間信號完整性問題 14
1.9 電源分配系統中的信號完整性問題 15
1.9.1 源/地反彈 15
1.9.2 同步開關噪聲 15
1.10 電磁干擾和輻射 16
1.11 系統時序 16
1.11.1 信號的延遲（propagation delay） 16
1.11.2 信號的偏差（skew） 17
1.11.3 信號的抖動（jitter） 17
1.12 信號完整性的分析范疇 17
第2章 高速電路的新設計方法學 19
2.1 新設計方法學的設計流程 20
2.1.1 布線前仿真 21
2.1.2 布線后仿真 21
2.1.3 典型的前、后仿真流程 21
2.2 高速互連通道SI模型 22
2.3 有源器件模型 23
2.3.1 SPICE模型 23
2.3.2 IBIS模型 23
2.4 無源元件建模 26
2.4.1 經驗法則 26
2.4.2 解析近似 26
2.4.3 數值仿真 26
2.5 EDA仿真工具及比較 27
2.5.1 電磁場仿真 27
2.5.2 電路仿真 29
2.5.3 行為仿真 29
2.6 信號完整性分析的協同仿真 29
第3章 ANSYS用于信號完整性分析的
EDA軟件 31
3.1 ANSYS的EDA軟件簡介 31
3.2 HFSS軟件 32
3.2.1 HFSS概述 32
3.2.2 功能簡介 33
3.2.3 HFSS在信號完整性分析中的作用 33
3.2.4 工作窗口 34
3.2.5 基本操作 34
3.3 Designer軟件 39
3.3.1 Designer概述 39
3.3.2 功能簡介 39
3.3.3 Designer在信號完整性分析中
的作用 39
3.3.4 工作窗口 40
3.3.5 基本操作 41
3.4 SIwave軟件 43
3.4.1 SIwave概述 43
3.4.2 功能簡介 43
3.4.3 SIwave在信號完整性分析中的作用 44
3.4.4 工作窗口 44
3.4.5 基本操作 45
3.5 Q2D（以前稱SI2D）/Q3D軟件 50
3.5.1 Q2D/Q3D概述 50
3.5.2 功能簡介 50
3.5.3 Q2D/Q3D在信號完整性分析中
的作用 50
3.5.4 工作窗口 51
3.5.5 基本操作 52
第4章 反射 58
4.1 反射的基本理論 58
4.1.1 從路的觀點看反射問題 58
4.1.2 欠阻尼和過阻尼 59
4.1.3 一次反射 59
4.1.4 多次反射 60
4.1.5 阻性負載對反射的影響 61
4.1.6 容性負載對反射的影響 62
4.1.7 感性負載對反射的影響 63
4.2 TDR測試 64
4.2.1 TDR測試原理 64
4.2.2 TDR測試對不同負載的反應 65
4.3 消除反射的措施 66
4.4 端接匹配 67
4.4.1 端接策略 67
4.4.2 串行端接 67
4.4.3 并行端接 68
4.5 拓撲結構 69
4.5.1 菊花鏈結構 69
4.5.2 Fly-by結構 70
4.5.3 星型結構 70
4.5.4 遠端簇結構 71
4.5.5 樹型結構 71
4.6 不同條件下的反射分析 71
4.6.1 反彈圖 71
4.6.2 傳輸線多長需要考慮匹配 77
4.6.3 兩種基本的匹配比較 81
4.6.4 短串接傳輸線的反射 83
4.6.5 短樁線傳輸線的反射 87
4.6.6 連線中途的容性負載反射 89
4.6.7 感性突變引起的反射 91
4.6.8 串聯電感的補償 93
4.6.9 Fly-by拓撲結構 95
4.6.10 daisy chain拓撲結構 98
4.6.11 far-end cluster拓撲結構 102
4.6.12 star拓撲結構 104
4.6.13 Tree拓撲結構 110
4.6.14 單端/差分TDR仿真 116
4.6.15 分析跨層傳輸線的TDR 119
第5章 有損耗傳輸線 123
5.1 傳輸線損耗和信號的衰減 124
5.1.1 電阻損耗 124
5.1.2 介質損耗 125
5.2 色散 126
5.3 有耗線的時域影響 128
5.4 眼圖和誤碼率（BER） 128
5.4.1 眼圖 128
5.4.2 抖動 130
5.4.3 誤碼率 131
5.5 不同條件下的有耗傳輸線分析 132
5.5.1 有耗傳輸線帶寬分析 133
5.5.2 有耗傳輸線對上升沿的影響 136
5.5.3 上升沿對有耗傳輸線的要求 137
5.5.4 有耗傳輸線的瞬態分析 139
5.5.5 有耗傳輸線的眼圖分析 141
第6章 串擾 151
6.1 串擾的原理性分析 151
6.1.1 容性耦合機制 152
6.1.2 感性耦合機制 153
6.1.3 總的串擾 154
6.1.4 減小串擾的措施 154
6.2 不同條件下的串擾分析 155
6.2.1 上升沿對串擾的影響 155
6.2.2 耦合長度對微帶線串擾的影響 157
6.2.3 耦合長度對帶狀線串擾的影響 167
6.2.4 耦合傳輸線的SPICE矩陣 170
6.2.5 典型間距下傳輸線的耦合電容和
耦合電感 172
6.2.6 耦合間距對微帶線串擾的影響 174
6.2.7 耦合間距對帶狀線串擾的影響 174
6.2.8 脈沖寬度對串擾的影響 176
6.2.9 負載端匹配下的串擾 180
6.2.10 源端匹配下的串擾 181
6.2.11 不匹配下的串擾 185
6.2.12 介電常數對串擾的影響 186
6.2.13 多條干擾微帶線的串擾影響 189
6.2.14 多條干擾帶狀線的串擾影響 192
6.2.15 負載端匹配下防護線對串擾
的影響 195
6.2.16 源端匹配下的防護線對串擾
的影響 200
6.2.17 干擾時序對信號的影響 206
6.3 PCB中的串擾分析實例 209
6.4 封裝中的串擾分析實例 215
第7章 電源完整性問題 225
7.1 引言 225
7.2 同步開關噪聲（SSN） 226
7.2.1 ΔI電流的產生 226
7.2.2 減小ΔI電流的方法 229
7.2.3 減小SSN噪聲的方法 229
7.3 PCB整板的諧振 231
7.3.1 諧振頻率的求解 231
7.3.2 矩形諧振場波形 232
7.4 電源分配系統 233
7.5 去耦電容的特性 235
7.5.1 電容的頻率特性 235
7.5.2 電容并聯特性 237
7.6 電源完整性的總體設計流程 238
7.7 整板諧振模式分析（SIwave) 239
7.8 PDS的阻抗分析（SIwave) 249
7.9 傳導干擾分析和電壓噪聲
測量（SIwave） 255
7.10 SIwave 確認檢查 261
7.11 電源直流壓降（DC IRdrop）
分析（SIwave） 266
7.12 SSN分析（SIwave& Designer） 274
7.13 DDR的SSN分析 284
7.14 SIwizard進行SSN仿真 302
7.14.1 不帶無源元件 302
7.14.2 帶有無源元件 307
7.15 定制鍵合線繪制（SIwave） 311
7.16 系統級的封裝與PCB板
連接（SIwave） 315
第8章 差分線 319
8.1 差分線基本理論 320
8.1.1 差分線中的參數 320
8.1.2 差分線的端接匹配 321
8.1.3 差分傳輸可以減小串擾 322
8.1.4 差分傳輸在不連續問題中可減小
信號不完整 323
8.2 不同條件下的差分線分析 323
8.2.1 間距對差分線各種參數的影響 323
8.2.2 返回路徑平面距離對阻抗的影響 331
8.2.3 阻焊層厚度對阻抗的影響 332
8.2.4 差分線的匹配 334
8.2.5 差分信號到共模信號的轉換 338
8.2.6 差分對的串擾分析 342
8.2.7 分析縫隙對差分對的影響 346
第9章 縫隙和過孔 349
9.1 過孔的等效電路 350
9.2 存在地孔時的電感 351
9.3 過孔的匹配 351
9.4 HDI技術的過孔比較 352
9.5 地回流問題 355
9.5.1 不同電位的參考層放置旁路電容 355
9.5.2 相同電位的參考層放置地孔 357
9.6 參考平面的縫隙 358
9.6.1 參考平面縫隙對信號的影響 358
9.6.2 參考平面縫隙的參數估算 359
9.6.3 解決參考面縫隙的方法 360
9.7 典型條件下的縫隙/過孔分析 361
9.7.1 多層PCB下的縫隙的四種分析 361
9.7.2 分析縫隙對傳輸線的影響 384
9.7.3 分析縫隙對串擾的影響 395
9.7.4 分析加載電容的縫隙對傳輸線
的影響 399
9.7.5 分析增加平面層的縫隙對傳輸線
的影響 408
9.7.6 分析過孔長度以及stub的影響 417
9.7.7 分析過孔直徑、焊盤直徑和反焊盤
直徑的影響 422
9.7.8 分析加地孔的影響 431
第10章 輻射 438
10.1 輻射原理 438
10.1.1 共模電流和差模電流 438
10.1.2 差模輻射 438
10.1.3 共模輻射 440
10.2 SIwave和 Designer協同分析遠近場
輻射 441
第11章 信號完整性問題的場路協同仿真 450
11.1 ANSYS信號完整性設計的整體流程 450
11.2 高速互連通道協同仿真 452
11.2.1 AnsoftLinks與HFSS協同仿真
Flipchip封裝 452
11.2.2 Q3D提取差分Stripline寄生參數 460
11.2.3 HFSS對差分過孔建模 467
11.2.4 HFSS對SMA連接器建模 484
11.2.5 Designer對整個高速互連通路
進行系統仿真 494
11.3 SIwave和Designer協同分析EMI 510

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