Die besten Tools zur Signalintegritätsanalyse für Leiterplatten

Das Konzept der Signalintegritätsanalyse zur Unterstützung von PCB-Designs kann vieles bedeuten. In PCBs werden mehrere Schnittstellen verwendet, um Komponenten zu verbinden, und jede davon hat unterschiedliche Anforderungen an die Signalintegrität, die jeweils ein gewisses Maß an Analyse erfordern. Als Reaktion auf die Nachfrage nach besseren und schnelleren Analysefunktionen hat die EDA-Softwarebranche zahlreiche Lösungen für Design und Analyse auf Systemebene entwickelt, darunter mehrere Optionen, die speziell auf Aufgaben der Signalintegritätsanalyse im PCB-Design ausgerichtet sind.

Dieser Leitfaden gibt einen Überblick über die verschiedenen Optionen für die Signalintegritätsanalyse und ihre Fähigkeiten. Einige davon sind Analysewerkzeuge auf Systemebene, während andere auf PCBs spezialisiert sind. Einige dieser Softwareoptionen sind kostenlos oder kostengünstig, während andere eher für Anwender auf Unternehmensebene geeignet sind. Ziel ist es, Ihnen dabei zu helfen, die beste Option für Ihr Design, Ihr Budget und Ihren Erfahrungsstand zu bestimmen.

Arten von Software zur Signalintegritätsanalyse

Alle Signalintegritätsprogramme führen irgendeine Form von Simulation durch, sei es auf Schaltungsebene, direkt aus dem PCB-Layout in 2D oder 3D oder als lineare Netzwerke mit extrahierten Simulationsmodellen. Sobald die Simulationen durchgeführt wurden, automatisiert die Software Analyseaufgaben, die Ingenieuren helfen, mögliche Probleme mit der Signalintegrität in einem Design zu verstehen oder zu vermeiden. Unterschiedliche Arten von Analysen sind in verschiedenen Softwarepaketen möglich, und die EDA-Branche bietet viele Optionen für die Signalintegritätsanalyse.

Mit den richtigen Softwarewerkzeugen können viele Aufgaben der Signalintegritätsanalyse durchgeführt werden. Die Analyse umfasst typischerweise Schaltungsanalyse, lineare Netzwerkmodellierung und Modellierung auf Systemebene.

Schaltungsanalyse

In diesen Simulatoren werden Schaltungsmodelle erstellt und verwendet, um die Signalintegrität zu verstehen, sowohl im Hinblick darauf, wie Signale mit Komponenten als auch mit physischen Verbindungen in einem Design interagieren. Im ersten Fall wird die Schaltungsanalyse verwendet, um zu verstehen, wie eine treibende oder empfangende Schaltung ein Signal erzeugt oder interpretiert. Bei Treibern besteht das Ziel darin, Verzerrungen zu vermeiden, während bei Empfängern die Schaltung in der Lage sein sollte, Daten zu extrahieren, Messungen durchzuführen oder ein Signal korrekt abzuschließen.

Dies sind typischerweise SPICE-basierte Simulatoren, wie zum Beispiel die folgenden Optionen:

• ngspice: Open-Source-SPICE-Engine mit Unterstützung für Transienten-, AC-, Rausch- und Mixed-Signal-Schaltungssimulationen.
• LTspice: Weit verbreiteter kostenloser SPICE-Simulator mit starker Unterstützung für Schaltregler und Analogschaltungen.
• Altium Designer: Enthält eine integrierte SPICE-Simulation direkt im Schaltplaneditor und unterstützt mehrere SPICE-Modellformate, einschließlich LTspice- und PSpice-Modellen.
• QUCS: Ein schaltplanbasierter Schaltungssimulator mit Unterstützung für AC-, Transienten-, S-Parameter- und HF-Simulationen, der häufig für die Entwicklung von Analog- und HF-Schaltungen verwendet wird.

Diese Werkzeuge werden normalerweise nicht für vollständige Signalintegritätssimulationen auf Systemebene verwendet. Stattdessen bewerten sie, wie Schaltungen mit Verbindungen interagieren oder wie sich das Schaltungsverhalten auf die Signalintegrität über verschiedene Frequenzbereiche hinweg auswirkt. Für eine umfassendere Bewertung der Signalintegrität unter Einbeziehung physischer Verbindungen wenden wir uns EDA-Anwendungen zu, die lineare Netzwerkanalyse bereitstellen.

Lineare Netzwerkanalyse

Lineare Netzwerke können aus Simulationsmodellen aufgebaut werden, um das vollständige Verhalten von Verbindungen vom Treiber bis zum Empfänger zu beschreiben. Diese Netzwerke können aus Schaltungsmodellen, SPICE-Modellen oder S-Parameter-Modellen aufgebaut werden, die das Schaltungsverhalten beschreiben. Diese Modelle können aus Ersatzschaltungen, vollwelligen elektromagnetischen Simulationen oder phänomenologischen Modellen erstellt werden. Das Ziel der linearen Netzwerkanalyse besteht darin, eine Kaskade einzelner Verbindungselemente (Steckverbinder, Leiterbahnen, Vias usw.) zu erstellen, um ein vollständiges Simulationsmodell zur Analyse der Signalintegrität aufzubauen.

Viele Standardwerkzeuge für die Simulation auf Systemebene verfügen über integrierte Funktionen für lineare Netzwerke. Dazu gehören:

• Simbeor: Unterstützt Touchstone-Dateien und Schaltungsmodelle in einer GUI für die SI-Analyse
• pyBERT: Ein Open-Source-Python-Paket, das dieselben Analysen wie andere EDA-Werkzeuge unterstützt
• CST: Enthält einen vollwelligen elektromagnetischen Simulator und einen linearen Netzwerkanalysator
• Ansys: Wie CST, jedoch mit einigen automatisierten Analyse- und Modellerstellungsaufgaben
• Keysight ADS: Eine beliebte Anwendung für die Signalintegritätsanalyse in PCBs, Gehäusen und Systemen
• MATLAB: Enthält viele spezialisierte Pakete für Signalintegrität und HF-Design
• QUCS: Der Quite Universal Circuit Simulator (QUCS) kann Touchstone-Dateien zusammen mit anderen Modellen verwenden, um die Signalintegrität zu analysieren
• FastMaxwell: Ein Open-Source-Simulator, der Touchstone-Dateien aus komplexen 3D-Leiterstrukturen extrahieren kann, beispielsweise aus gedruckten HF-Schaltungen

Das Ziel besteht typischerweise darin, eine Standardanalyse zu erzeugen, die für die Signalintegrität benötigt wird, wie etwa Augendiagramme, S-Parameter oder Ergebnisse von Transientensimulationen. Diese Simulationen können mit fortschrittlicheren Anwendungen zur Systemdesignanalyse weiter ausgebaut werden, was eine wesentlich genauere Beschreibung des Systemverhaltens ermöglicht.

EDA-Anwendungen für das Systemdesign

Werkzeuge für das Design auf Systemebene erweitern den Ansatz der linearen Netzwerkanalyse, indem sie Verhaltensmodelle, digitale Entzerrung und protokollbewusste Funktionen einbeziehen, mit denen Designer vollständige Kommunikationskanäle bewerten können. Beispielsweise können Werkzeuge wie Keysight ADS IBIS- oder IBIS-AMI-Modelle für das Verhalten von Sender und Empfänger einbeziehen und so die Simulation von Entzerrung, Jitter-Toleranz und Kanal-Compliance in Hochgeschwindigkeits-SerDes-Verbindungen ermöglichen. Diese Anwendungen werden häufig verwendet, um Kanäle für Standards wie PCIe, Ethernet oder USB zu validieren, indem S-Parameter, Augendiagramme und Bitfehlerratenschätzungen auf Basis realistischer Kanalmodelle erzeugt werden.

Kommerzielle und Open-Source-Simulatoren

Während Werkzeuge zur Signalintegritätsanalyse dabei helfen, aus Simulation oder Messung extrahierte Modelle zu analysieren, kann dennoch eine Simulationsanwendung erforderlich sein, um Modelle zu entwickeln, die in Analyseanwendungen verwendet werden. Wenn beispielsweise ein vorgeschlagenes Steckverbinderdesign analysiert werden soll, kann eine Simulationsanwendung verwendet werden, um ein S-Parameter-Modell als Touchstone-Datei zur Verwendung in einer Analyseanwendung zu extrahieren. Kommerzielle und Open-Source-Simulatoren können verwendet werden, um diese Modelle zu extrahieren. Diese sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Diese Anwendungen bieten auch eigene Analysefunktionen als integrierte Features, entweder automatisiert oder halbautomatisiert. In einigen Workflows können sie sowohl die Modellextraktion als auch die Signalintegritätsanalyse durchführen, obwohl viele Designteams für die Kanalverifikation und Validierung auf Systemebene weiterhin auf dedizierte SI-Analysesoftware setzen.

Datenanzeige- und Analysewerkzeuge für die Signalintegrität

Workflows zur Signalintegrität stützen sich häufig auf Werkzeuge, die Touchstone-Dateien (S-Parameter) importieren, Ergebnisse im Zeit- oder Frequenzbereich darstellen und schnelle Kennwerte wie Rückflussdämpfung, Einfügedämpfung oder Augendiagramme erzeugen. Kommerzielle Optionen wie Keysight PLTS und der Touchstone-Editor in HyperLynx bieten diese Funktionen in einer ausgereiften GUI, erfordern jedoch kostenpflichtige Lizenzen.

MATLAB wird häufig verwendet, um S-Parameter-Daten zu analysieren, Augendiagramme zu erzeugen und benutzerdefinierte Kanalsimulationen zu implementieren. Für Ingenieure, die eine kostenlose Alternative suchen, bietet GNU Octave eine weitgehend kompatible Umgebung, in der viele MATLAB-Skripte mit minimalen Anpassungen ausgeführt werden können. Octave ist außerdem in QUCS integriert, sodass Ingenieure fortgeschrittene Nachbearbeitung und Datenanalyse direkt auf Ergebnissen von Schaltungssimulationen durchführen können.

S-Parameter-Visualisierung in MATLAB. [Quelle: MathWorks]

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Häufig gestellte Fragen

Was ist die beste Software für die Signalintegritätsanalyse?

Es gibt nicht die eine „beste“ Software. Die richtige Wahl hängt davon ab, wie viel Automatisierung beim Aufbau von Simulationsmodellen und bei der Durchführung von Analyseaufgaben benötigt wird. Manche Software gibt Anwendern mehr Kontrolle oder mehr Simulationsoptionen beim Erstellen von Modellen und beim Konfigurieren von Analyseaufgaben.

Unterstützt PCB-Designsoftware die Signalintegritätsanalyse?

Ja, PCB-Designsoftware ermöglicht die Signalintegritätsanalyse. Dies geschieht direkt mit integrierten Funktionen oder indirekt durch die Möglichkeit, in Standarddatenformate für die Verwendung in anderen Simulationsanwendungen zu exportieren.

Kann SPICE für die Signalintegritätsanalyse in PCBs verwendet werden?

SPICE wird normalerweise für die Validierung auf Schaltungsebene verwendet. Es berücksichtigt keine realen Übertragungsleitungsmodelle oder Interconnect-Modelle, die aus elektromagnetischen #D-Simulatoren extrahiert wurden, und bildet daher das reale Systemverhalten auf dem PCB nicht vollständig ab.

Ist eine 3D-elektromagnetische Simulation für die Signalintegritätsanalyse erforderlich?

Nein, nicht für alle Analysen. Im Kontext der Signalintegritätsanalyse wird die 3D-elektromagnetische Simulation für die direkte Berechnung des elektromagnetischen Feldes oder zur Extraktion von Modellen für die Verwendung in der linearen Netzwerkanalyse eingesetzt.