高速模拟PCB设计要注意哪些问题？

印刷电路板（PCB）市场趋势

随着数字系统数据速率的不断提高，确保PCB良好的信号完整性性能变得越来越重要。信道损耗是要测量的重要参数之一，以满足高速I/O的信号完整性要求。 选择正确的PCB材料,对于避免昂贵的过度设计或面临性能问题的风险非常重要。精确高效的PCB损耗测量方法对于系统设计人员或PCB制造商来说非常重要。

什么是 Delta-L？为什么需要Delta-L测量？

由于I/O速度的提高，IPC-TM-650方法2.5.5.12中现有的IPC时域测试方法已不足以解决高速应用中PCB损耗测量所面临的问题。 英特尔数据中心事业部（DCG）SI 团队 首先推出了 Delta-L+方法来缩小差距。它已在整个行业中广泛应用，同时在IPC测试方法2.5.5.14中得到采用。 英特尔 PCB 供应链需要在批量生产中执行此测试。

是德科技 ZA0095A 印刷电路板测试解决方案

认识到这种新兴的 PCB 测试需求，是德科技现在基于VNA平台，通过ZA0095A PCB测试方案中的 Delta-L 和 Dk/Df 选项，实现对英特尔Delta-L 4.0 测量的支持，频率高达 40GHz 。这是满足PCB制造商基于VNA平台，同时实现阻抗测试、PCB损耗测量和材料Dk/Df提取的完整解决方案。

KEYSIGHT 高频高速 PCB测试解决方案

随着数字系统数据速率的提高（受消费者对更快的互联网连接、视频点播和更多连接设备的需求驱动），导致对高速互连/PCB 信号完整性的期望值更高。PCB制造商需要解决更高频率的信号完整性问题。阻抗和通道损耗测试是高速PCB的基本测试要求。

1. 作为大批量制造测试的一部分，PCB制造商需要准确和高效的方法来测量阻抗变化并监控PCB的损耗。

2. 系统设计人员 需要生成通道的准确模型，包括VIA（过孔）和传输线路，以便进行高级仿真，减少仿真结果与实际测量之间的偏差。

3. PCB原材料和层压材料供应商 需要测量材料的介电特性，并在其规格表中提供材料的特性参数，频率高达毫米波范围，以保持竞争力。

Keysight 为PCB原材料供应商、PCB层压材料供应商、PCB制造商和系统制造商提供各种解决方案，包括传输线仿真、阻抗测量、Delta-L 损耗测试以及 Dk/Df 参数提取（Dk = 介电常数和 Df = 损耗因子）。

參考資料：如何解决信号完整性问题。

我们将展示解决信号完整性问题的三个步骤，以及相关的基础知识，并将这些技术应用到案例研究中。

让我们想看一下信号完整性问题的三个步骤包括：

第一步：仿真通道
第二步：确定信号退化的根本原因
第三步：寻找信号完整性设计的解决方案

要完成这三个步骤，我们需要掌握信号完整性问题分析技术。

在今天的视频中，我们将用到ADS工作区。

信号完整性和电源完整性

随着数据传输速率的快速增加，从而使得以前微秒(μs)量级的边沿或保持时间减少到纳秒(ns)甚至皮秒(ps)。如此高的带宽需求使得传统的设计解决方案已经很难满足系统正常工作的需求。另外，随着集成电路的工艺发展使得集成度越来越高，导致芯片上电流密度的急速增加使这个问题更加严重。因此非常有必要从整个系统设计开始就考虑信号完整性与电源完整性的问题。这就需要在设计前后把信号完整性和电源完整性仿真引入到设计流程中。

"了解如何进行最佳信号完整性测量，同时面临测量直流电源上更小、更快的交流信号的挑战。"

信号完整性和电源完整性产品设计的各个阶段都需要考虑。

是德科技在信号完整性和电源完整性领域提供了一套整体的解决方案，包括芯片建模、板级仿真、系统仿真以及产品研发和生产的测试，如下图1所示：

芯片的建模和系统级的仿真主要使用 SystemVue。在信号完整性和电源完整性方面，主要应用 ADS 和 EMPro。因为 ADS 中有丰富的模型、操作的灵活性以及对外部的模型也有非常好的兼容性，所以 ADS 应用于信号完整性和电源完整性前仿真和后仿真中。接下来，给大家介绍下 ADS 在信号完整性和电源完整性仿真方面的应用。

信号完整性和电源完整性有什么不同？

在信号完整性中，重点是确保传输的逻辑1在接收器中看起来就像 1(对0同样如此)。在电源完整性中，重点是确保为驱动器和接收器提供足够的电流以发送和接收1和0。因此，电源完整性可能会被认为是信号完整性的一个组成部分。实际上，它们都是关于数字电路正确模拟操作的分析。

电源完整性分析

分析电源完整性需要进行多项测量，例如配电网络（PDN）阻抗、电源完整性、电源排序、电源抑制比（PSRR）和控制环路响应。 器件设计人员面临着一大挑战――如何通过由无源元器件和互连组件构成的 PDN 为汽车、医疗设备和物联网设备等用电设备提供清洁电力。 良好设计的 PDN 可以在从直流到开关电流带宽的范围内保持稳定的电压。 它有助于降低功耗和开关噪声，减少电源引起的抖动以及 EMI 问题。

设计工程师需要使用实时示波器和电源探头来同时测量多个电源，并详细观察信号的交流偏置。 高灵敏度电流探头可以在高灵敏度和衰减模式之间切换，灵活地进行电池功耗分析，而软件可以分析电源噪声的来源和影响。 在多种温度条件下进行测量，有助于发现在极端温度条件下的性能问题。

解决电源完整性挑战，需要采用本底噪声较低的测量解决方案，帮助您加速完成电子器件的调试和表征。 是德科技电源完整性分析解决方案配备了精密型 Keysight MXR 系列实时示波器（本底噪声较低，适合进行电源分析）、专用是德科技电源探头、高灵敏度电流探头和是德科技电源完整性分析软件。我们的电源完整性分析解决方案可以帮助工程师验证向器件和电路输入的电力是否纯净，确保其产品不会遇到完整性问题。

S参数仿真

不管是在信号完整性中，还是电源完整性中，对于很多器件，包括芯片的封装、传输线、过孔、连接器、线缆、电容等无源器件都会应用 S参数来表征其特性，对于一个完整的通道就需要对很多个 S参数进行级联，在 ADS 中可以非常方便的级联各类 S参数，并非常灵活的进行 S参数仿真以及数据的处理，如下图 2 是对多个 S参数的级联仿真：

对于单一的 S参数，可以在 ADS 中直接通过 S参数查看器，检查 S参数的单端和混合模式的结果，如下图 3 所示，在 S参数查看器中，还可以检查 S参数的无源性、互易性、相位以及 Smith圆图。

通过 S参数仿真之后，在数据显示窗口，可以查看结果曲线，也可以进一步处理数据，加入规范模板等等。图 4 是仿真完成后处理 S参数仿真结果

传输线阻抗计算

在高速电路中，阻抗匹配非常重要，阻抗不匹配会导致信号的反射、波形非单调、误码率增加等等，所以在进行高速电路设计之初，工程师都会考虑使用微带线、带状线还是共面波导结构，并设计一些特定的阻抗类型的传输线，比如单端 50ohm、差分 85ohm 或者 100ohm 等等。在 ADS 中采用 CILD（Controlled Impedance Line Designer）可以快速的计算传输线的阻抗，并且可以对层叠结构、传输线参数、材料参数等扫描优化，获得目标参数，如下图 5 所示，左图为计算 50ohm 的单端传输线，右图为通过优化差分对的线间距，获得 90ohm 差分线设计参数。

串扰仿真

在现代电子产品追求小而精的状况下，串扰是每一位工程师必须面对的问题。如何设计可以使串扰最小且不增加成本，是工程师们的追求。在进行 PCB设计之前，都可以通过 ADS 进行串扰仿真，以获得最优的设计，特别是在设计之初，可以对影响串扰的每一个参数进行扫描仿真，选择最合适的设计值，如下图 6 所示为对耦合长度进行扫描仿真的原理图和仿真结果：

从上图的结果中在 500mil～1500mil 之间，近端串扰随着耦合长度的增加而增加， 在 1500mil 之后，近端串扰达到饱和值。这只是一个粗略值的仿真，如果需要获得更精确的结果，可以进一步的减小仿真的范围。工程师也可以在 ADS SIPro 中对完成的 PCB进行串扰的仿真，这样可以更进一步的对设计进行评估。

过孔设计

在高速串行信号链路中，基本上都会涉及到过孔的设计。过孔设计是高速串行链路设计的一个关键点，关系到高速串行链路设计的成败。工程师可以通过 ADS Via Designer 工具对过孔进行优化设计，如下图 7 所示：

通过 Via Designer 仿真之后，可以查看过孔损耗和阻抗的特性，并输出 S 参数模型以及 3D 结构模型，这些模型也可以直接应用在传输链路仿真中，如下图 8 所示：

DDR仿真

不管是计算机系统还是嵌入式系统，目前都大规模的采用了 DDR3 或者 DDR4。不论是 DDR3 还是 DDR4，其信号的电源系统的设计都是一个难点，所以不管是前仿真还是后仿真，都需要进行详细的仿真。在 ADS 中，工程师可以通过两种方式进行 DDR3/4 总线的仿真，一种是瞬态仿真，如下图 9 所示；一种是 DDR Bus 总线仿真，如下图 10 所示。通过仿真，可以优化、确定 DDR总线的布线拓扑结构、端接电阻以及 ODT 的选择等等。

通道仿真（ChannelSim）

对于高速串行总线，通常对误码率有比较严苛的要求，要求误码率非常低，这才符合总线规范的要求，所以在不管是仿真还是测试，都需要有足够多的采样点数或者特殊的数学算法才能满足分析误码率的要求。另外，随着信号速率的不断提高，单纯的依靠芯片的简单的驱动能力无法应对信号在传递过程中的衰减，所以在高速串行总线的芯片中就会增加加重和均衡的算法，对于仿真而言，也需要有新的分析方法，这就需要使用 ADS 中的通道仿真（ChannelSim），如下图 11 所示为一个通道仿真的拓扑结构，其中包含了发送端和接收端的芯片模型、传输通道上的传输线以及连接器以及串扰通道和串扰源。芯片的模型采用的是 IBIS-AMI 模型。

仿真完成之后，在数据显示窗口上查看波形、浴盆曲线、眼图等结果。如下图 12 所示：

良率分析

在信号完整性前仿真中，工程师不仅仅可以分析既定的一些情况，还可以针对一些不确定的情况做一些统计分析、良率的分析，比如，分析传输线长度、线宽、介电常数、介质损耗角等参数对通道的插入损耗和回波损耗的影响。图 13 为良率分析的拓扑结构和分析结果：

后仿真流程
前面介绍了前仿真，主要是针对原理图阶段的仿真，目的是验证原理图设计以及给PCB设计提供约束规则。那么当 PCB设计完成之后，还需要进行后仿真，这时需要把设计好的 PCB文件导入到 ADS 中，然后再通过 SIPro 和 PIPro 进行信号完整性和电源完整性的后仿真，仿真完之后，获得结果；也可以把仿真的结果或者提取的模型导出到 ADS原理图页面，做进一步的仿真。具体流程如下图 14 所示：

图 14 后仿真流程在 ADS SIPro 中进行信号完整性的后仿真可以获得 S 参数模型，同时可以查看信号网络的阻抗，并能导出 S 参数模型，如下图 15 和图 16 所示：

在 ADS PIPro 中可以进行电源完整性的直流压降仿真（PI DC）、直流电热联合仿真（Electro-Thermal）、热仿真（Thermal）、交流阻抗仿真（PI AC）和平面谐振仿真（Power Plan Resonance）。如下图 17 为直流压降仿真结果，图 18 为交流阻抗仿真结果。

在 PIPro 中还可以对不满足 PDN 阻抗要求的设计进行去耦电容自动优化，通过对不同的电容组合、电容种类进行自动分析，找到一种最合适的设计。也可以把 PDN 的 S 参数提取之后导出到 ADS 原理图中，在原理图中也可以进行优化仿真分析。

当然，也可以在前仿真中对电源完整性进行仿真，这样可以对电容的组合进行优化。在 ADS 原理图中建立相应的拓扑结构，如下图 19 所示：

在信号完整性仿真阶段，EMPro 也是不可或缺的工具，特别是对于一些比较复杂的结构，比如具有芯片封装、连接器、线缆的互连通道，就需要使用 EMPro 进行电磁模型的提取。如下图 20 所示 EMPro 中进行芯片封装的仿真：

随着技术的发展，信号完整性和电源完整性设计和仿真也变得更加的复杂，这对工具的要求也越来越高。比如近几年比较热门的PAM4，虽然这个仿真依然使用的是通道仿真技术，但是其所需要的仿真激励源已经变得更加的复杂。所幸的是，是德科技也持续的在研发新的技术，利用 ADS可以非常方便的对 PAM4 进行仿真。

总之，不管信号完整性和电源完整性的前仿真还是后仿真，或者，不管是板级的仿真还是系统的仿真，是德科技都能提供一套非常系统的解决方案。

电磁兼容

什么是EMC (Electromagnetic Compatibility or Electromagnetic Compliance))测试？

EMC 测试就是电磁兼容测试，EMC是电气设备与其所处电磁环境及其他设备的相互作用。主要是对电磁干扰大小（EMI）和抗干扰能力（EMS）的综合评定，是产品质量最重要的指标之一，产品想要上市，必须要符合 EMC 规范要求。 下面将主要介绍做 EMI 电磁干扰测试的相关设备。

EMC是什么?

EMC指电磁兼容， 包含EMI和EMS

EMI是什么?

EMI指电磁干扰= 电子设备无意间泄露的电磁能量

谁会在意EMI?

各类信息技术相关的设备
工业,医疗,科学用途(工作在ISM频段上)的设备
汽车电子
通讯设备及网络设备, 数据中心
各类家用电器

EMC测试就是电磁兼容测试，EMC是电气设备与其所处电磁环境及其他设备的相互作用。主要是对电磁干扰大小（EMI）和抗干扰能力（EMS）的综合评定，是产品质量最重要的指标之一，产品想要上市，必须要符合 EMC 规范要求。 下面将主要介绍做 EMI 电磁干扰测试的相关设备。

在位于德国伯布林根的是德科技认证测试即服务 EMC电磁兼容测试实验室中，测试、调试、验证和认证您的测试设备符合 50 多种全球标准。

在一间电磁兼容实验室中统一满足您的EMC测试需求

EMC电磁兼容测试测试包括

• 辐射发射暗室

• 传导发射测试场地

• 辐射抗扰暗室

• 无线测试场地

• 环境测试暗室

• 安全测试场地

EMC频带分布

发射

• 辐射发射（高达 6 GHz）

• 传导发射

• 传导发射电信端口

• 谐波和闪变

抗扰度

• ESD（8 kV 接触和 15 kV 空气）

• 辐射抗扰度（6 GHz，在特定频率范围高达 70 V/m）

• EFT/B（4 kV）

• 浪涌（4 kV，仅 1.2/50 µS组合波）

• 传导抗扰度（10 Vrms，高达 100 MHz）

• 磁场抗扰度

• VD&I（230 V，单相高达 16 A）

EMC电磁兼容测试标准

• IEC/ EN 61326-1、-2-1、-2-2、-2-3、-2-6

• IEC/ EN 60601-1-2

• IEC 61000-6-1、-2、-3、-4

• IEC 61000-4-X、-2、-3、-4、-5、-6、-8、-11、-13、－39

• CISPR 32:2015

• DIN EN 55032:2016-02、VDE 0878-32:2016-02

• CISPR 35:2016

• DIN EN 55035:2018-04、VDE 0878-35:2018-04“

EMC一致性测试

任何电子或电气设备只要使用公共电网或有可能产生电磁发射，都必须满足 EMC电磁兼容性要求。通过 4 大类测试，可以确保设备满足这些要求：辐射和传导发射测试，以及辐射和传导抗扰度测试。 传导发射测试的主要对象是交流电源线上由被测设备（EUT）产生的信号。此类测量的频率范 围通常为 9 kHz 至 30 MHz。军用标准（MIL-STD）测量的频率范围可能更广。 辐射发射测试的对象是被测设备通过空间发射的信号。此类测量的频率范围通常为 30 MHz 至 1 GHz 或 6 GHz，尽管 FCC 规定需要测量至 40 GHz。

上图显示了辐射发射、辐射抗扰度、传导发射和传导抗扰度之间的区别。辐射抗扰度指器件或产品抵御辐射电磁场干扰的能力，传导抗扰度测试的是器件或产品承受电源线或数据线电气干扰的能力。抗扰度测试的问题不属于本文档的讨论范围。

对于电磁兼容性问题（例如电钻干扰电视信号的接收），其发生条件是必须有一个干扰信号发 生器或干扰源、一条耦合路径和一个受扰对象。直到最近，大部分解决 EMC电磁兼容问题的办法都是注 重降低干扰源发射到可以接受的水平，而现在，同时进行发射测试和抗扰度测试的方法正在逐步普及。

EMC电磁兼容测试和EMI测试的区别

EMI测试是电磁干扰（Electro-Magnetic Interference）测试。电磁干扰（Electromagnetic Interference 简称EMI），是指电磁波与电子元件作用后而产生的干扰现象，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络，在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。

在产品开发过程中，您最想做的是对器件进行测试，验证其是否正常工作。所有电子器件都必须在经过认证的内部测试中心内成功通过电磁兼容性EMI测试。通过 EMI测试即表明您的器件的 EMI 发射性能达到允许水平，符合适当的监管标准。

EMI 处于概括性术语“EMC”（电磁兼容性）的范畴内。在执行预兼容性测试时，您会考虑执行 EMI 测试。这是一种来自您的器件的实际电磁现象，又称为发射。

EMC测试主要是对电磁干扰大小（EMI）和抗干扰能力（EMS）的综合评定，是产品质量最重要的指标之一，产品想要上市，必须要符合 EMC 规范要求。

EMS（Electro Magnetic Susceptibility）“电磁敏感度”。

EMC预兼容测试的重大意义

为什么EMC预兼容测试很重要？对一个项目而言，越早发现设计中存在的EMC风险，团队才能获得越多的时间和灵活度来处理此类风险。越晚发现EMC问题，成本和代价就越高！

EMI的测试类型可以概括为3大类：

全兼容测试
经过认证的国家测试机构，具有全兼容测试能力，会执行各种 EMI 测试，以确定您的产品的发射性能是否适当。您在销售自己的器件之前必须要对其进行严格的EMC一致性测试。电子产品需要在这些机构做认证，满足EMC标准，产品可以得到EMC的认证，这样才能发布销售。
认证机构会选择全兼容的EMI 接收机。

全兼容测试方案：
Keysight N9038A MXE EMI接收机，N9048B，配置相应的EMI测试软件N6141系列，该软件内置了多种规范要求。EMI接收机具有EMC 全兼容测试要求的预选器。

N6141C EMI测量应用软件是 Keysight X 系列通用程序库中的一员。

预兼容测试
相对于全兼容测试来说，预兼容测试是客户的自测的一项工作。 在将要发布的电子产品送去EMC认证机构之前，先对产品做摸底测试，看是否符合EMC 标准，如果测试没有通过，客户会检查产品，做故障分析，定位，改良等，以保证产品符合EMC 规范要求。

预兼容一致性测试方案：
信号分析仪+N6141系列EMI软件。
仪器如N9000B信号分析仪等，各种设备的动态范围，指标会有差异。

低成本的EMI测试

预算有限，只是打算做频谱测试，自行设置Limit Line 进行比较。
解决方案：N9320B-EMF，N9322C-EMC，EMF添加了EMC 的滤波器（6dB带宽）；EMC 选件是包含EMC滤波器(6dB带宽)，以及准峰值检波器。

频谱分析仪 N9000B-EMC，基础EMC测试功能，包含 CISPR 16-1-1 带宽要求和相应的检波器（峰值，准峰，EMI平均，RMS平均），以及MIL-STD 461带宽。而N6141系列的软件包含了EMC基础功能。具体的区别，可以参考下面的链接：

最后，我们来说下相关的附件，是德科技有近场探头 N9311X-100，可以做近场测试，远场的辐射测试要用到天线，这就根据您的测试需求来选择合适的天线了。做传导测试用的LISN目前没有提供了，需要客户自行采购。

EMI预兼容和合规性测试解决方案

EMI 预兼容和合规性测试需要对间歇性干扰信号进行测量、检测和分析。 Keysight EMI 测试解决方案包括是德科技信号分析仪、EMI 接收机和 EMI 分析软件，它们可以帮助您确认产品的性能，以及产品是否符合相应监管机构的 EMC 标准，例如 CISPR 16-1-1 和 MIL-STD-461 标准。 Keysight EMI 预兼容和合规性测试解决方案具有实时扫描（RTSC）和加速时域扫描（A-TDS）功能，可以帮助您快速诊断故障并识别可疑干扰。