2.2.4 HyperLynx 8.0

HyperLynx 8.0是PADS 9.0工程化的高速PCB信号完整性与电磁兼容性分析环境。

1. HyperLynx产品特点

① 工程化的高速PCB信号完整性与电磁兼容性仿真工具, 操作简便, 易于掌握；

② 支持所有PCB环境下的设计文件；

③ 支持PCB前仿真/后仿真分析；

④ 支持PCB叠层结构、物理参数的提取与设定；

⑤ 支持各种传输线的阻抗规划与计算；

⑥ 支持反射、串扰、损耗、过孔效应及电磁兼容性分析；

⑦ 通过匹配向导为高速网络提供串行、并行及差分匹配等方案；

⑧ 支持多板分析, 可对板间传输的信号进行反射、串扰及损耗分析；

⑨ 提供DDR/DDRII/USB/SATA/PCIX等多种Design Kit。

2. HyperLynx 8.0概述

电子工程师们越来越深刻地体会到, 即使电路板（PCB）上的信号在低至几十兆赫兹的频率范围内工作, 也会受到开关速度在纳秒（ns）级的高速芯片的影响而产生大量的信号完整性（SI）与电磁兼容性（EMC）问题。

一个优秀的电路设计, 往往因为PCB布局、布线时某些高速信号处理不当而造成严重的过冲/下冲、延时、串扰及辐射等问题, 最终导致产品设计的失败。

Mentor Graphics公司的HyperLynx软件是业界应用最为普遍的高速PCB仿真工具, 如图2.36所示。它包含前仿真环境（LineSim）、后仿真环境（BoardSim）及多板分析功能,

可以帮助设计工程师对电路板上频率低至几十兆赫兹或高达吉赫兹以上的网络进行信号完整性与电磁兼容性仿真分析, 消除设计隐患, 提高设计的成功率。操作简洁、功能齐全的信号完整性与电磁兼容性分析环境对于大多数工程师而言, 仅是产品设计流程中的一个环节, 在此环节采用的工具必须与整个流程中的其他工具相兼容, 且要保证工程师能快速掌握工具, 并将其应用于实际的设计工作。否则, 性能再好的软件也很难在工程实践中得到广泛应用。

3. 产品主要功能

（1）HyperLynx兼容性

HyperLynx兼容Mentor、Cadence、Zuken、Protel等所有格式的PCB设计文件。为高速PCB仿真提供了简便易学的操作流程, 就像实验室里的数字示波器与频谱分析仪。原理图工程师、PCB工程师或信号完整性工程师经过短期的培训, 即可使用HyperLynx解决各自工作中的问题, 从设计初期的网络拓扑结构规划、阻抗设计、高速规则定义与优化, 直到最终的板级验证等工作均可在HyperLynx中完成, 可以有效地避免过度设计与反复设计。

（2）前仿真功能（HyperLynx LineSim）

LineSim用于PCB前仿真分析, 其配置分为中低频段（EXT）模块, 可模拟300MHz以下的叠层结构与布线参数下的传输效果, 帮助设计工程师优化出一套适合当前电路的PCB叠层结构、布线阻抗与高速设计规则（线宽、线长、间距等）。软件提供了可视化的叠层结构设计窗口, 帮助工程师方便快速地设计信号、电源层结构, 编辑板材物理参数, 并观察叠层结构与材料参数对阻抗与损耗的影响, 如图2.37和图2.38所示。

LineSim可以和DxDesigner衔接, 自动导入原理图中关键网络的拓扑结构模型, 并为网络引脚指定IBIS模型。引脚间的连接可用微带线（Micro Strip）、带状线（Strip Line）、同轴电缆、双绞线等多种传输线结构来描述, 还可以假定此网络的布线参数, 如线宽、线长、间距等。然后运行前仿真, 测试这一网络在上述虚拟传输环境下的信号质量与电磁辐射, 通过对过冲/欠冲、延时、串扰、EMI频谱及眼图等指标的考察, 来验证前面假定的条件是否合理。经过不断地仿真调试, 最终得出一套适合此关键网络的叠层结构、拓扑结构和布线参数, 这些信息可以由LineSim回传给DxDesigner, 并随同网表进入PCB环境, 实现PCB的规则驱动布线。通过前仿真可以将设计工程师的高速信号处理经验与软件的计算功能有效地结合起来, 确保高速PCB的设计效率。

（3）后仿真功能（HyperLynx BoardSim）

BoardSim用于PCB后仿真验证, 其配置分为中低频段（EXT模块：300MHz以下）和高频段（GHz模块：300MHz以上）两种。可以导入PCB设计文件, 提取叠层结构与叠层物理

参数, 计算传输线特征阻抗, 进行信号完整性与电磁兼容性测试, 如图2.39所示。

BoardSim提供批处理仿真（Batch Simulation）功能, 对PCB进行整板快速扫描, 检查是否有过冲、延迟、串扰及EMI辐射超出设计要求的网络, 并给出详细的结果报告。BoardSim也可以对单个网络进行交互式仿真分析, 输出精确的信号传输波形、EMI辐射频谱或眼图。设计工程师可以修改布线参数后再仿真, 从而发现并改善不合理的布线。在BoardSim中还可以直接修改网络中的匹配、无源器件参数等信息, 然后通过设计反标注（Backward Annotation）来更新原理图及PCB, 快速实现数据同步, 且避免了人为修改的错误与疏漏, 如图2.40所示。

（4）多板分析功能

HyperLynx支持系统级仿真, 可以对多块PCB构成的高速数字系统进行信号完整性分析, 考察关键网络在不同PCB上的传输效果, 帮助设计工程师量化跨板传输对信号工作状态的影响。软件提供了符合工业标准的连接器、电缆或金手指插槽等器件的IBIS模型, 可以精确地描述板间互连。

LineSim和BoardSim均支持串扰分析功能。在前仿真阶段运行串扰分析, 可以帮助设计工程师优化间距、耦合长度等布线规则, 解决布线时信号间的互感互容耦合问题。串扰分析功能还可以用来设计差分对的阻抗, 根据设计工程师对差分对阻抗的要求, 计算出合适的差分对间距、线宽等参数。

在后仿真阶段, 设计工程师可以对PCB上所有网络进行批量串扰仿真, 计算网络之间的串扰强度, 把超出设计安全指标的网络汇总输出。软件还提供串扰定位功能, 对于选中的任意网络, 软件会标志出与之有串扰关系的其他网络, 且高亮显示发生耦合的布线区域, 便于对照仿真结果修改PCB设计, 提高设计效率。

（5）电磁兼容性分析

LineSim和BoardSim均支持电磁兼容性分析功能, 可以帮助设计工程师考察PCB叠层结构、布局布线参数、端接参数及屏蔽方式等因素对信号电磁辐射的影响。软件可通过虚拟的电流探针与标准距离（3/10/30m）的天线探针对PCB上的强干扰源进行电磁辐射分析, 计算出干扰源在各个频段上的辐射值。软件还提供了图形界面的频谱分析仪用来显示电磁兼容性的分析结果。在频谱分析仪中集成了国际通用的电磁辐射安全检验标准数据, 如FCC、CISPR及VCCI等, 可对仿真结果进行EMI超标测试。设计工程师也可以在频谱分析仪中建立自己公司的电磁辐射安全检验标准。相对于高昂的EMI测试费用, HyperLynx在产品设计阶段即可通过仿真发现电路中的EMI隐患, 并提出改进建议。它是一套高性价比的EMI解决方案, 可节省大量的研发成本, 并有助于缩短研发周期。

（6）眼图（Eye-Diagram）分析功能

LineSim和BoardSim中均支持眼图分析功能, 可用于查看高速数据信号和时钟信号的工作状态, 帮助设计工程师测试当系统时钟出现偏移、抖动等异常现象时数据信号的传输效果, 以确认系统的稳定性。软件支持PRBS/Toggling/USB2.0 Compliance等标准激励或自定义激励, 以及USB/PCI-E/SATA/SERDES等标准的Eye Mask或自定义的Eye Mask参数, 为仿真工作节约了大量时间。

（7）有损传输线（Loss Transmission Line）模型

LineSim和BoardSim中均支持有损传输线模型。对于吉赫兹（GHz）频率以上的PCB设计, 传输线的趋肤效应损耗与介质损耗对信号波形（幅值、升降沿）的影响已不可忽略。通过对有损传输线分析, 可以考察叠层参数、布线参数及工作频率等因素与两种损耗的关系可以看出, 它为高频PCB叠层介质的选择和布线规则定义提供了指导, 帮助设计工程师更有信心地完成高频PCB设计, 如图2.41所示。

（8）过孔（Via）效应分析

BoardSim支持过孔效应分析。对于吉赫兹（GHz）以上频率的PCB设计, 过孔长度与LC寄生参数会造成信号的延迟及其他信号完整性问题。利用过孔效应分析, 可以验证高频网络中过孔的使用对信号工作状态的影响, 从而为布线中过孔的使用提供参考依据, 以便确保产品在高频环境下工作的稳定性。

（9）SPICE模型输出功能

HyperLynx可将PCB上的网络, 包含过孔、传输线、IC引脚、匹配电路等, 输出为SPICE格式的仿真模型, 从而将原理图的功能仿真扩展到板级的物理连接, 改善了原理图仿真的精确度, 进而提高了设计的成功率。

（10）完善高速仿真模型的解决方案

HyperLynx兼容多种格式的仿真模型, 如IBIS/SPICE/VHDL-AMS/S-Parameter等, 如图2.42所示。

HyperLynx为高速仿真提供了强大的IBIS模型支持, 包含CMOS/TTL等标准工艺的IC引脚模型；74系列逻辑元器件, 常用CPU/DSP、FPGA/CPLD等元器件的IBIS模型。Hyper-Lynx提供了模型创建向导, 只需设计工程师输入元器件引脚开关时间、封装寄生参数、工艺类型等信息, 即可创建简易的仿真模型或标准格式的IBIS模型。

HyperLynx还提供了可视化的IBIS模型编辑器, 帮助设计工程师校验从不同渠道获取的IBIS模型, 修正其中的语法、引脚工作曲线不单调等错误, 保证仿真精度不受影响。

上述解决方案可帮助设计工程师快速排除模型困扰, 让仿真工具及时为设计工作服务,有助于缩短产品研发周期。

（11）集成高精度的Eldo仿真器

对吉赫兹（GHz）以上频率的PCB进行高速仿真时, 常使用SPICE模型以提高仿真结果的精度。HyperLynx自带了具有SPICE内核的仿真器——Eldo, 对SPICE模型提供了本地化的支持。软件还可根据SPICE模型创建IBIS模型。设计工程师可以在HyperLynx中完成适合所有精度要求及模型的仿真工作, 避免切换仿真工具的烦琐, 如图2.43所示。

HyperLynx提供了多种当前主流技术的Design Kit, 如USB、DDR、DDRII、PCI-E、PCI-X、SATA、StratixGX等。每种Design Kit都提供了通用的拓扑结构与仿真模型, 设计工程师只需在这些Design Kit上做简单的修改, 即可快速完成与自己设计一致的拓扑结构, 开始仿真工作, 节省了大量时间。