ADS中SI与PI仿真详解：原理、流程、标准及故障处理

ADS中SI与PI仿真详解：原理、流程、标准及故障处理

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_43199439/article/details/142604020

在高速电路设计中，信号完整性和电源完整性是确保系统稳定运行的关键因素。本文将详细介绍ADS软件中SI（信号完整性）和PI（电源完整性）仿真的原理、流程、标准及故障处理方法，帮助工程师更好地理解和优化电路设计。

1. 信号完整性（SI）仿真原理

信号完整性是指高速信号在电路板上传输过程中，因阻抗失配、噪声、串扰等因素，导致信号失真、抖动或过冲的现象。SI仿真的目的是确保信号从发送端到接收端可以保持足够的质量，避免以下问题：

• 信号反射：由于阻抗失配导致信号反射，影响信号传输。
• 串扰：在紧密布线的电路中，信号线之间可能发生电磁干扰。
• 抖动和噪声：时钟和数据信号传输过程中出现时间抖动或噪声干扰。
• 眼图闭合：信号的质量影响到眼图的开口大小，眼图闭合代表信号失真严重。

SI仿真主要分析：

• 阻抗匹配
• 传输线效应（如反射、过冲）
• 串扰（Crosstalk）
• 时序问题

2. 电源完整性（PI）仿真原理

电源完整性是分析和优化电源分配网络（PDN），确保供电稳定和噪声控制。其目的是保证系统中的电源电压在负载变化下始终稳定在允许范围内，避免因为电源问题导致信号失真或系统不稳定。

• 纹波和噪声：电源网络中噪声和纹波可能影响电源质量。
• 电源分配网络阻抗：电源网络的低阻抗设计可确保稳定供电，减少噪声传导。
• 去耦电容优化：通过合理的去耦电容布局减少电源噪声。

PI仿真主要分析：

• 电源网络阻抗（PDN Impedance）
• 电压纹波（Voltage Ripple）
• 电源噪声
• 去耦电容布局

3. 如何进行仿真

在ADS中进行SI/PI仿真主要分为几个步骤：

3.1 SI仿真流程

1. 创建电路模型：导入PCB或高速电路的设计，包含PCB布线、连接器、传输线、驱动和接收器模型。
2. 定义仿真条件：设置输入信号、频率范围、边沿速率等参数，确保仿真条件符合设计要求。
3. 仿真设置：选择需要的仿真类型，如：

• 时域仿真：分析反射、抖动、眼图等。
• 频域仿真：分析传输损耗、阻抗匹配等。

4. 运行仿真：通过仿真工具进行时域或频域分析，观察信号完整性问题。
5. 结果分析：根据仿真结果检查眼图、信号波形、反射系数、串扰等问题。

3.2 PI仿真流程

1. 创建电源网络模型：导入或设计PDN（Power Distribution Network）模型，包含电源层、地层、去耦电容等。
2. 设置仿真条件：定义电源电压、负载电流、频率范围等参数。
3. 仿真设置：选择仿真类型，如：

• DC仿真：分析电源电压分布和电压降。
• AC仿真：分析电源网络的阻抗响应，通常在频域（频率响应）下查看PDN的阻抗曲线。

4. 运行仿真：通过仿真工具计算PDN的阻抗、噪声和电压纹波。
5. 结果分析：根据阻抗曲线检查是否低于目标阻抗，分析电源电压是否在设计范围内。

4. 仿真目的

• SI仿真的目的是确保信号传输过程中的信号完整性，避免传输线反射、串扰和抖动，保障高速数字信号的正确传输。
• PI仿真的目的是确保电源分配网络在不同负载条件下具有足够的电源质量，保证供电稳定，避免电源纹波和噪声对系统的干扰。

5. 仿真标准

不同的项目和设计有不同的仿真标准，通常依据以下参考标准进行仿真：

SI仿真标准：

• 阻抗匹配标准：传输线阻抗一般为50Ω，要求阻抗匹配误差小于10%。
• 眼图标准：眼图开口大小足够大，信号上升/下降时间满足系统时序要求。
• 串扰标准：串扰噪声应控制在允许范围内，通常低于总信号幅度的5%。

PI仿真标准：

• PDN阻抗标准：电源网络阻抗应尽可能低，通常在目标阻抗以下（例如<100mΩ）。
• 电压纹波标准：电源电压的纹波应控制在设计电压的5%以内。

6. 仿真失败后的处理

当仿真结果不符合设计预期时，采取以下步骤进行改进：

SI仿真问题：

• 阻抗不匹配：调整PCB布线的宽度、改变材料或增加终端匹配电阻来优化阻抗。
• 过大的信号反射：检查传输线的长度和阻抗匹配，增加适当的终端电阻。
• 串扰过高：增加信号线之间的间距，或者在PCB上添加地平面屏蔽。
• 眼图闭合：检查信号速率，改善PCB布线以减少传输损耗或减少反射。

PI仿真问题：

• PDN阻抗过高：增加去耦电容，优化去耦电容的布局，或者调整电源层和地层的厚度。
• 电源纹波过大：增加去耦电容，调整电源网络布局，或者增加滤波电路。
• 电源噪声过大：检查电源的隔离和滤波设计，优化去耦电容选择。

结论

ADS中的SI和PI仿真确保高速电路和复杂系统稳定性的重要工具。SI仿真解决信号传输过程中的完整性问题，而PI仿真保证电源分配网络的稳定供电。通过理解和正确设置仿真条件，并结合仿真标准，能有效地识别和修正设计中的潜在问题，提高电路性能。