PCB向けの最適なシグナルインテグリティ解析ツール

PCB設計を支援するシグナルインテグリティ解析という概念には、さまざまな意味があります。PCBでは、複数のインターフェースを使って部品同士を接続しますが、それぞれで求められるシグナルインテグリティ要件は異なり、いずれも何らかの解析が必要になります。より高性能かつ高速な解析機能への需要に応えるため、EDAソフトウェア業界ではシステムレベルの設計・解析向けに多くのソリューションが登場しており、その中にはPCB設計におけるシグナルインテグリティ解析作業を特に対象としたものもあります。

このガイドでは、シグナルインテグリティ解析のさまざまな選択肢と、それぞれの機能について概要を紹介します。これらの中にはシステムレベル解析ツールもあれば、PCB向けに特化したものもあります。また、無料または低コストのソフトウェアもあれば、エンタープライズレベルのユーザーにより適したものもあります。目的は、設計内容、予算、そして専門知識のレベルに応じて最適な選択肢を判断できるようにすることです。

シグナルインテグリティ解析ソフトウェアの種類

すべてのシグナルインテグリティソフトウェアは、回路レベル、PCBレイアウトから直接行う2Dまたは3D解析、あるいは抽出したシミュレーションモデルを用いた線形ネットワークとしての解析など、何らかのシミュレーションを実行します。シミュレーションが実行されると、ソフトウェアは解析タスクを自動化し、設計内で起こり得るシグナルインテグリティ上の問題をエンジニアが理解したり未然に防いだりするのを支援します。実行可能な解析の種類はソフトウェアパッケージごとに異なり、EDA業界ではシグナルインテグリティ解析のために多くの選択肢が提供されています。

適切なソフトウェアツールを使えば、シグナルインテグリティ解析には多くの作業を実行できます。一般に解析は、回路解析、線形ネットワークモデリング、システムレベルモデリングで構成されます。

回路解析

これらのシミュレータでは、回路モデルを設計して使用し、信号が部品や設計内の物理的な相互接続とどのように相互作用するかという観点から、シグナルインテグリティを理解します。前者の場合、回路解析は、駆動回路または受信回路がどのように信号を生成または解釈するかを理解するために用いられます。ドライバ側では歪みを防ぐことが目的であり、レシーバ側ではデータの抽出、測定の実行、または信号の適切な終端ができる必要があります。

これらは通常、以下のようなSPICEベースのシミュレータです。

• ngspice: 過渡解析、AC解析、ノイズ解析、ミックスドシグナル回路シミュレーションをサポートするオープンソースのSPICEエンジン。
• LTspice: スイッチングレギュレータやアナログ回路への強力な対応で広く使われている無料のSPICEシミュレータ。
• Altium Designer: 回路図エディタ内で直接利用できる統合SPICEシミュレーションを搭載し、LTspiceやPSpiceモデルを含む複数のSPICEモデル形式をサポート。
• QUCS: AC解析、過渡解析、Sパラメータ解析、RFシミュレーションをサポートする回路図ベースの回路シミュレータで、アナログおよびRF回路開発で一般的に使用されます。

これらのツールは通常、完全なシステムレベルのシグナルインテグリティシミュレーションには使用されません。代わりに、回路が相互接続とどのように相互作用するか、あるいは回路の挙動が異なる周波数帯域にわたってシグナルインテグリティにどのような影響を与えるかを評価します。物理的な相互接続を含む、より包括的なシグナルインテグリティ評価には、線形ネットワーク解析を提供するEDAアプリケーションを使用します。

線形ネットワーク解析

線形ネットワークは、ドライバからレシーバまでの完全な相互接続の挙動を記述するために、シミュレーションモデルから構築できます。これらのネットワークは、回路モデル、SPICEモデル、または回路の挙動を記述するSパラメータモデルから構築できます。これらのモデルは、等価回路、フルウェーブ電磁界シミュレーション、または現象論的モデルから作成できます。線形ネットワーク解析の目的は、個々の相互接続要素（コネクタ、配線、ビアなど）をカスケード接続し、シグナルインテグリティ解析のための完全なシミュレーションモデルを構築することです。

多くの標準的なシステムレベルシミュレーションツールには、線形ネットワーク機能が組み込まれています。これには次のようなものがあります。

• Simbeor: GUI上でTouchstoneファイルと回路モデルをサポートし、SI解析を実行
• pyBERT: 他のEDAツールと同様の解析をサポートするオープンソースのPythonパッケージ
• CST: フルウェーブ電磁界シミュレータと線形ネットワークアナライザを搭載
• Ansys: CSTと同様だが、一部の解析およびモデル構築タスクが自動化されている
• Keysight ADS: PCB、パッケージ、システムにおけるシグナルインテグリティ解析で広く利用されているアプリケーション
• MATLAB: シグナルインテグリティおよびRF設計向けの多くの専用パッケージを搭載
• QUCS: Quite Universal Circuit Simulator（QUCS）は、Touchstoneファイルを他のモデルと併用してシグナルインテグリティを解析可能
• FastMaxwell: プリントRF回路のような複雑な3D導体構造からTouchstoneファイルを抽出できるオープンソースシミュレータ

通常の目的は、アイダイアグラム、Sパラメータ、過渡シミュレーション結果など、シグナルインテグリティに必要な標準的解析結果を得ることです。これらのシミュレーションは、より高度なシステム設計解析アプリケーションによってさらに拡張でき、システム挙動をより正確に記述できます。

システム設計EDAアプリケーション

システムレベル設計ツールは、線形ネットワーク解析のアプローチを拡張し、ビヘイビアモデル、デジタル等化、プロトコル対応機能を組み込むことで、設計者が通信チャネル全体を評価できるようにします。たとえば、Keysight ADSのようなツールでは、送信機および受信機の挙動を表すIBISまたはIBIS-AMIモデルを組み込むことができ、高速SerDesリンクにおける等化、ジッタ耐性、チャネル適合性のシミュレーションが可能です。これらのアプリケーションは、現実的なチャネルモデルに基づいてSパラメータ、アイダイアグラム、ビット誤り率の推定値を生成し、PCIe、Ethernet、USBなどの規格に対するチャネル検証によく使用されます。

商用およびオープンソースのシミュレータ

シグナルインテグリティ解析ツールは、シミュレーションまたは測定から抽出されたモデルの解析に役立ちますが、解析アプリケーションで使用するモデルを作成するためには、別途シミュレーションアプリケーションが必要になる場合があります。たとえば、提案中のコネクタ設計を解析する場合、シミュレーションアプリケーションを使ってSパラメータモデルをTouchstoneファイルとして抽出し、それを解析アプリケーションで使用できます。商用およびオープンソースのシミュレータはいずれも、こうしたモデル抽出に利用できます。以下の表に概要を示します。

これらのアプリケーションは、自動または半自動の統合機能として、独自の解析機能も提供します。ワークフローによっては、モデル抽出とシグナルインテグリティ解析の両方を実行できますが、多くの設計チームでは依然として、チャネル検証やシステムレベル検証のために専用のSI解析ソフトウェアを利用しています。

シグナルインテグリティ向けデータ表示・解析ツール

シグナルインテグリティのワークフローでは、Touchstoneファイル（Sパラメータ）を取り込み、時間領域または周波数領域で結果をプロットし、リターンロス、挿入損失、またはアイダイアグラムのような主要指標を素早く生成できるツールに依存することがよくあります。Keysight PLTSやHyperLynx内のTouchstoneエディタのような商用オプションは、洗練されたGUIでこれらの機能を提供しますが、有償ライセンスが必要です。

MATLABは、Sパラメータデータの解析、アイダイアグラムの生成、カスタムチャネルシミュレーションの実装によく使用されます。無料の代替手段を求めるエンジニアにとっては、GNU Octaveが有力な選択肢であり、最小限の修正で多くのMATLABスクリプトを実行できる高い互換性を備えています。OctaveはQUCSにも統合されており、エンジニアは回路シミュレーション結果に対して高度な後処理やデータ解析を直接実行できます。

MATLABにおけるSパラメータの可視化。[出典: MathWorks]

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よくある質問

シグナルインテグリティ解析に最適なソフトウェアは何ですか？

単一の「最適」なソフトウェアはありません。適切な選択は、シミュレーションモデル構築や解析タスク実行に必要な自動化レベルによって異なります。ソフトウェアによっては、シミュレーションオプション、モデル構築、解析タスク設定において、ユーザーにより大きな自由度を提供するものもあります。

PCB設計ソフトウェアはシグナルインテグリティ解析をサポートしていますか？

はい、PCB設計ソフトウェアはシグナルインテグリティ解析を可能にします。これは、内蔵機能を直接使用する方法、または他のシミュレーションアプリケーションで利用するために標準データ形式でエクスポートする方法によって実現されます。

PCBのシグナルインテグリティ解析にSPICEは使用できますか？

SPICEは通常、回路レベルの検証に使用されます。実際の伝送線路モデルや、#D電磁界シミュレータから抽出された相互接続モデルは考慮しないため、PCB上の実際のシステム挙動を完全には再現できません。

シグナルインテグリティ解析には3D電磁界シミュレーションが必要ですか？

いいえ、すべての解析に必要というわけではありません。シグナルインテグリティ解析の文脈では、3D電磁界シミュレーションは電磁界を直接計算するため、または線形ネットワーク解析で使用するモデルを抽出するために用いられます。