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文档背景

在现代电子硬件设计中，信号完整性（Signal Integrity，SI）和电源完整性（Power Integrity，PI）是确保设备性能和可靠性的重要因素。随着电子设备的频率不断提高，电路的复杂度也日益增加，信号和电源的完整性问题变得尤为突出。Altium Designer（后简称AD）作为一款功能强大的电子设计自动化软件，提供了丰富的工具和功能，帮助工程师在硬件设计中解决信号完整性与电源完整性问题。本文将详细介绍 AD 在硬件设计中的信号与电源完整性应用，帮助工程师们更好地理解和应用这些技术，提高硬件设计的质量和性能。

信号完整性技术

阻抗匹配

1. 定义 ：阻抗匹配是指在信号传输过程中，使信号源的输出阻抗与传输线的特性阻抗相匹配，以减少信号反射和失真，提高信号传输效率和质量。

2. 重要性 ：在高速信号传输中，阻抗不匹配会导致信号反射，反射信号会与原信号叠加，产生信号失真，影响信号的完整性。例如，在 DDR 内存接口中，如果阻抗不匹配，会导致数据传输错误，降低系统性能。

3. 实现方法 ：在 AD 中，可以通过以下步骤实现阻抗匹配：

■ 调整传输线特性阻抗 ：在 PCB 设计中，通过调整微带线或带状线的宽度、厚度和介电常数来实现特性阻抗的匹配。例如，对于 50Ω 的微带线，可以通过调整线宽和介质厚度来实现阻抗匹配。图1

■ 使用终端电阻 ：在信号源或接收端添加终端电阻，以实现阻抗匹配。在 AD 中，可以通过放置电阻元件并设置其阻值来实现终端电阻的添加。

图1

信号布线

1. 差分布线 ：差分布线是一种常用的信号布线方式，通过将两个信号线紧密耦合在一起，形成差分信号对，以提高信号的抗干扰能力和传输效率。在 AD 中，可以通过以下步骤实现差分布线：

■ 创建差分信号对 ：在原理图设计中，将两个信号线定义为差分信号对。可以通过在信号线的属性中设置 “Differential Pair” 参数来实现。

图2

■ 设置差分布线规则 ：在 PCB 设计中，设置差分布线的布线规则，如线宽、线距、耦合长度等。可以通过在 “Rules” 面板中添加 “Differential Pair Routing” 规则来实现。

图3

○ 屏蔽布线 ：屏蔽布线是通过在信号线周围添加屏蔽层，将信号线与外界电磁干扰隔离，提高信号的抗干扰能力。在 AD 中，可以通过以下步骤实现屏蔽布线：

■ 创建屏蔽层 ：在 PCB 设计中，创建一个屏蔽层，可以是一个独立的铜层或地层。可以通过在 “Layers” 面板中添加一个新的层来实现。

图4

■ 设置屏蔽布线规则 ：设置屏蔽布线的规则，如屏蔽层与信号线的距离、屏蔽层的连接方式等。可以通过在 “Rules” 面板中添加 “Shielding” 规则来实现。

信号完整性分析

1. 定义 ：信号完整性分析是指在硬件设计阶段，通过仿真和测试等手段，对信号的传输特性进行分析和评估，以确保信号的完整性和系统的可靠性。

2. 方法 ：在 AD 中，可以通过以下步骤进行信号完整性分析：

■ 使用仿真工具 ：AD 内置了信号完整性仿真工具，如 Simulate 等。可以通过在 面板菜单中选择相应的仿真工具来打开。

图5

■ 设置仿真参数 ：在仿真工具中，设置仿真参数，如信号源、负载、传输线特性等。可以通过在仿真工具的设置面板中进行设置。

■ 运行仿真 ：设置好仿真参数后，运行仿真。仿真工具会生成信号的传输特性曲线，如反射系数、串扰系数等。

■ 分析仿真结果 ：根据仿真结果，分析信号的传输特性，评估信号的完整性和系统的可靠性。可以通过在仿真工具的结果面板中查看仿真结果。

电源完整性技术

电源分配

1. 定义 ：电源分配是指在硬件设计中，合理规划电源的供应和分配，确保各个模块和元器件能够获得稳定的电源供应。

2. 重要性 ：电源分配的合理性直接影响到系统的稳定性和性能。如果电源分配不合理，会导致电源噪声、电源波动等问题，影响信号的完整性和系统的可靠性。

3. 实现方法 ：在 AD 中，可以通过以下步骤实现电源分配：

■ 创建电源层和地层 ：在 PCB 设计中，创建电源层和地层。可以通过在 “Layers” 面板中添加新的层来实现。和前文的创建屏蔽层其实类似，简单来说就是屏蔽层可以用铺铜连接地，电源层则是铺铜全连接电源。

■ 设置电源分配规则 ：设置电源分配的规则，如电源层和地层的连接方式、电源线的宽度等。可以通过在 “Rules” 面板中添加 “Power Plane” 规则来实现。图6

■ 添加电源元件 ：在原理图设计中，添加电源元件，如电源芯片、电容等。可以通过在元件库中选择相应的元件并放置在原理图中来实现。（图中添加电容滤波）

图7

电源滤波

1. 定义 ：电源滤波是指在电源供应电路中，通过滤波器等元件，滤除电源中的高频噪声和纹波，提高电源的稳定性和纯净度。

2. 重要性 ：电源滤波可以有效减少电源噪声对信号的干扰，提高信号的完整性和系统的可靠性。在高速电路和敏感电路中，电源滤波尤为重要。

3. 实现方法 ：在 AD 中，可以通过以下步骤实现电源滤波如图7：

■ 添加滤波元件 ：在原理图设计中，添加滤波元件，如电容、电感等。可以通过在元件库中选择相应的元件并放置在原理图中来实现。

■ 设置滤波元件参数 ：设置滤波元件的参数，如电容值、电感值等。可以通过在元件的属性面板中进行设置。

■ 布线滤波电路 ：在 PCB 设计中，布线滤波电路，确保滤波元件与电源线的连接正确。可以通过在 PCB 编辑器中进行布线来实现。

电源完整性分析

1. 定义 ：是硬件设计中的关键环节，其核心目标是通过科学的电源分配、滤波和网络优化，确保电源系统满足以下要求：

a. 稳定性：电源电压在动态负载下波动可控（如电压跌落不超过5%）。

b. 低噪声：抑制高频噪声（如开关电源噪声、信号耦合干扰）。

c. 低阻抗：电源分配网络（PDN）阻抗在目标频段内足够低（如10mΩ@100MHz）。

d. 可靠性：避免因电源问题导致的系统失效或寿命缩短。

2. 方法 ：在 AD 中，可以通过以下步骤进行电源完整性分析：

■ 使用仿真工具 ：

● 内置工具：Power Integrity模块（需Signal Integrity扩展）。

● 第三方集成：如HyperLynx、Ansys SIwave（通过插件调用）。

■ 关键参数：

● 激励源：定义DC输入电压（如5V）及瞬态负载模型（如FPGA动态电流）。

● 频率范围：覆盖目标频段（如10MHz-1GHz），捕捉高频噪声。

● 网络模型：导入芯片功耗数据或IBIS模型，提高仿真精度。

■ 运行仿真 ：设置好仿真参数后，运行仿真。仿真工具会生成电源的供应和分配特性曲线，如电源噪声、电源波动等。

■ 分析仿真结果 ：根据仿真结果，分析电源的供应和分配特性，评估电源的稳定性和系统的可靠性。可以通过在仿真工具的结果面板中查看仿真结果。

● IR Drop分析：生成热力图定位电压跌落严重区域（如红色高亮区）。

● 噪声频谱分析：识别噪声源（如电源开关频率谐波）。

● 阻抗-频率曲线：验证PDN阻抗是否满足目标（如10mΩ@100MHz）。

■ 优化策略：增加铜箔宽度，降低电源路径电阻。也可以通过优化去耦电容的布局：高频电容（0.1μF）靠近芯片引脚，抑制瞬态电流噪声，大容量电容（10μF）布局在电源入口，提供储能缓冲。

实际应用案例

• 高速信号传输中的阻抗匹配

在高速信号传输中，阻抗匹配是确保信号完整性的关键。例如，在 DDR 内存接口中，信号频率较高，阻抗不匹配会导致信号反射和失真，影响数据传输的准确性。通过在 AD 中调整传输线的特性阻抗和使用终端电阻，可以实现阻抗匹配，减少信号反射和失真，提高信号传输效率和质量。

• 差分布线在 USB 接口中的应用

USB 接口是一种常见的高速接口，采用差分信号传输方式。在 AD 中，通过创建差分信号对和设置差分布线规则，可以实现高质量的差分布线。差分布线可以有效减少信号的串扰和电磁辐射，提高信号的抗干扰能力和传输效率。

• 电源滤波在电源供应电路中的应用

在电源供应电路中，电源滤波是确保电源稳定性和纯净度的重要手段。通过在 AD 中添加滤波元件、设置滤波元件参数和布线滤波电路，可以实现电源滤波。电源滤波可以有效减少电源噪声对信号的干扰，提高信号的完整性和系统的可靠性。

讨论

信号完整性与电源完整性技术在硬件设计制造中具有重要的地位。通过合理的阻抗匹配、信号布线、电源分配和电源滤波等技术手段，可以有效提高信号的完整性和电源的稳定性，从而提高系统的性能和可靠性。在实际应用中，工程师们需要根据具体的设计需求和工艺条件，灵活运用这些技术，解决实际问题。例如，在高速信号传输中，可以通过调整传输线的特性阻抗、使用终端电阻等方式实现阻抗匹配；在电源供应电路中，可以通过添加滤波电容、电感等元件实现电源滤波。同时，随着电子技术的不断发展，信号完整性与电源完整性技术也在不断创新和进步，工程师们需要不断学习和掌握新的技术知识，以适应不断变化的设计需求。

阻抗匹配在信号完整性中有多重要？

阻抗匹配在信号完整性中至关重要。在高速信号传输中，阻抗不匹配会导致信号反射，反射信号会与原信号叠加，产生信号失真，影响信号的完整性。通过合理的阻抗匹配，可以减少信号反射和失真，提高信号传输效率和质量。

电源分配对电源完整性有何影响？

电源分配的合理性直接影响到系统的稳定性和性能。如果电源分配不合理，会导致电源噪声、电源波动等问题，影响信号的完整性和系统的可靠性。通过合理的电源分配，可以确保各个模块和元器件能够获得稳定的电源供应，减少电源噪声和信号干扰，提高系统的稳定性和性能。

电源滤波在电源完整性中起什么作用？

电源滤波可以有效减少电源噪声对信号的干扰，提高信号的完整性和系统的可靠性。在高速电路和敏感电路中，电源滤波尤为重要。通过在电源供应电路中添加滤波元件、设置滤波元件参数和布线滤波电路，可以实现电源滤波，滤除电源中的高频噪声和纹波，提高电源的稳定性和纯净度。

信号布线规则有哪些？

在信号布线过程中，需要遵循一些基本的布线规则，如避免信号线的交叉、保持信号线的等长、避免信号线的锐角转弯等。这些规则可以有效减少信号的反射和串扰，提高信号的完整性。在 AD 中，可以通过设置布线规则、使用差分布线和屏蔽布线功能等方式实现信号布线规则的遵循，确保信号的传输质量和系统的可靠性。

信号完整性分析有哪些方法？

信号完整性分析可以采用仿真软件（如 AD、Cadence 等）进行仿真分析，也可以通过实际测试（如示波器、网络分析仪等）进行测试评估。在 AD 中，可以通过使用内置的信号完整性仿真工具、设置仿真参数、运行仿真、分析仿真结果等方式进行信号完整性分析，提前发现设计中的信号完整性问题，确保信号的完整性和系统的可靠性。

结论

信号完整性与电源完整性技术是硬件设计中的关键技术领域，对于确保电子设备的性能和可靠性具有重要意义。AD 作为一款功能强大的电子设计自动化（EDA）软件，提供了丰富的工具和功能，帮助工程师在硬件设计中解决信号完整性与电源完整性问题。通过合理的阻抗匹配、信号布线、电源分配和电源滤波等技术手段，可以有效提高信号的完整性和电源的稳定性，从而提高系统的性能和可靠性。工程师们在硬件设计过程中，应充分重视信号完整性与电源完整性技术的应用，不断学习和掌握相关技术知识，为电子设备的设计和制造提供有力保障。