摘要：在分析高速数字电路设计中存在的几个主要问题的基础上，探讨了高速信号完整性所涉及到的基本理论研究了在pcb仿真设计实际应用中通常采用的两种模型方法，即ibis模型和spice模型，分析了仿真模型和建模方法。结合一个具体高速电路设计——小型封装可热插拔式光纤收发模块(sfp)的反射仿真实例，讨论了仿真模型的建立并对仿真结果进行了分析，研究结果表明在高速电路设计中采用基于信号完整性的仿真设计是可行的，也是必要的。

关键词：高速数字电路；信号完整性；仿真模型；pcb

引言

目前，国内外有关信号完整性(signal integrity，si)工程和研究还是一门尚未成熟的学科，其分析方法和实践都没有很好地完善，还处于不断的探索阶段。在基于信号完整性计算机分析的pcb设计方法中，最为核心的部分就是pcb板级信号完整性模型的建立，这是与传统的设计方法的主要区别之处。si模型的准确性将决定设计的正确性，而si模型的可建立性则决定了这种设计方法的可行性。

高速数字电路设计方面的问题突出体现为以下类型：(1)工作频率的提高和信号上升/下降时间的缩短，会使设计系统的时序裕量缩小甚至出现时序方面的问题；(2)传输线效应导致的信号震荡、过冲和下冲都会对设计系统的故障容限、噪声容限以及单调性造成很大的威胁；(3)信号沿时间下降到1ns以后，信号之间的串扰就成为很重要的一个问题；(4)当信号沿的时间接近0.5ns时电源系统的稳定性问题和电磁干扰(emi)问题也变得十分突出。

在高速系统中，能否处理好系统的信号互连，解决信号完整性的问题，是系统设计成功的关键。同时，信号完整性也是解决电源完整性、电磁兼容与电磁干扰(emc/emi)问题的基础和前提。

高频效应与传输线理论

高频效应
集肤效应　在高频情况下，电磁波进入良导体中会急剧衰减，甚至在还不足良导体中一个波长的距离上，电磁波已受到显著衰减，所以高频电磁场只能存在于良导体表面的一个薄层内，这种现象被称为集肤效应。电磁波场强振幅衰减到表面的1/e的深度则为趋肤深度

　　
式(1)说明：电导率越大即导电性越好，工作频率越高，趋肤深度越小，其导致高频时的电阻远大于低频或直流时的电阻。邻近效应　在若干个载流导体间的相互电磁干扰时，各载流导体截面的电流分布与孤立载流导体截面电流分布是不同的。当存在通有相反方向电流的两邻近导体时，在相互靠近的两侧面最近点电流密度最大；当两载流导体电流方向相同时，则两外侧面的电流密度最小。一般情况下，邻近效应使得等效电阻加大，电感减小。

传输线理论
广义传输线是引导电磁波沿一定方向传输的导体、介质或由它们组成的导行系统。一般所讨论的传输线是指微波传输线，其理论是长线理论。而当传输线的几何尺寸与电磁波的波长可以相比拟时，必须考虑传输线的分布参数(或称寄生参数)。在高速数字或射频电路设计和高速电路的仿真设计中，许多电磁现象必须应用传输线理论进行解释，传输线理论是研究高速数字(或射频)电路的基础。

基本传输线理论　当传输信号速率或频率达到一定时，传输信号的通道上的分布参数必须考虑。以平行双导线为例，其上的集肤效应带来单位长度射频阻抗增大。当其达到射频段，平行双线周围的磁场很强，必须考虑其寄生电感，且平行双线间的电场要用电容来等效。同时，导线间在频率很高时还要考虑导线间的漏电现象。所以一条单位长度传输线的等效电路可由r，l，g，c4个元件组成，如图1所示。

图1　单位长度传输线之等效电路

由克希霍夫定律可得传输线方程表示式为

因此，传输线方程的通解可写成

式中：v⁺ ，v^- ，i⁺ ，i^-分别是电压波和电流波的振幅常数，而+、-分别表示入射波(+z)及反射波(-z)的传输方向。传播常数c定义为

式中：a为衰减常数；b为相位常数。传输线上一点的电压和电流分别是入射波与反射波的叠加。在z轴上任一点的电压及电流表达式为

上式说明在一传输线