9、电路仿真信天聊
我的口头禅——专注和简单。
简单可能比复杂更难：
你必须努力才能明晰思路，做到简单。
但这值得，一旦你达到至简，你便能移山填海。
史蒂夫·乔布斯
(1) 从混沌到明晰
\qquad 科技穷其本质，无非是用理论、模型、工艺对包括既有思想在内的客体的存在规律进行模拟和预测。我们都承认，这些规律是自在的，认识它们并形成模型需要一整套理论和工具，后者是在发展过程中由简入繁逐渐形成的。对于学习者，循着这一过程进行训练也是最直观和最自然的。电路制作也是如此。
(2) PCB板发展简介
\qquad 用导线搭接元器件可以制作电路，尽管原始、粗糙、简单，但已经揭示了现代、精密、复杂电路的基本原理：用良导电材料将集总元器件连接在一起，用良绝缘材料将无需连接的部分相互隔离。
\qquad PCB板最早（20世纪30~40年代）使用的是纸基覆铜印制板，与导线搭接相差无几，只是绝缘材料换成了纸板。晶体管（20世纪50年代）的出现，尤其是集成电路（20世纪60年代）的迅速发展及广泛应用，使电子设备体积越来越小，电路布线密度和难度越来越大，这就要求PCB板不断更新。目前PCB板品种已从单面板发展到双面板、多层板和挠性板；结构和质量也已发展到超高密度、微型化和高可靠性程度；新设计方法、设计用品和制板材料、制板工艺不断涌现。近年来，各种EDA工具已经普及，在专门化PCB板生产厂家中，机械化、自动化生产已经完全取代了手工制作。
(3) 传统和现代设计流程
\qquad 传统的PCB设计方法要先设计原理图，然后放置元器件和走线，最后制作一系列原型机（通常接近成品），用一系列仪器进行反复验证/测试。当仿真模型完整，工程师愿意利用仿真功能时，他们偶然也会采用仿真工具进行设计，但通常只限于一部分电路，且只为了识别、预防、改正一般性的设计错误，与整体的板级信号完整性无关（参见下图）。
\qquad 修改设计意味着时间上的延迟，这种延迟在产品快速面市的压力下是不能接受的，必须将传统上隔离的步骤整合在一起，构成最优的设计流程。最优设计流程的关键在于从原理图设计到制作实际原型之前的每个阶段，都允许电路工程师借助不同形式和功能的仿真工具，对设计进行仿真以预测其行为，以及分析设计中各种元素的作用。这在现代设计流程中是一个十分重要的步骤，因为它使得在制作实际原型之前，可以评估产品性能，可以立刻测试设计，了解是否需要继续修改。因此，仿真能够节省时间和金钱，以及更早和更快地发现问题（参见下图）。
(4) 电路仿真工具（EDA软件）
\qquad 说到仿真工具，首先要提到三大EDA厂商，Cadence，Synopsys, Mentor。它们的仿真工具包括两类：数字电路仿真器和模拟电路仿真器。数字电路仿真器基本是IC级的，比如：Cadence公司的Verilog仿真器NC_Verilog，Mentor公司的Verilog仿真器Modelsim。对于模拟电路的仿真工具，普遍使用SPICE，只不过不同公司有不同的SPICE产品，像Cadence公司的Spectre，Synopsys公司的HSPICE，MiceoSim公司的PSPICE。
\qquad 当然，Altera、Xilinx、Keil Software这三家公司的软件开发环境Quartus II、ISE、KEIL等，对于PCB板设计和仿真，也是不可缺少的。它们分别适用于开发FPGA、单片机&ARM芯片。
(5) 复杂信号PCB板仿真
\qquad 高速信号、数模混合信号统称复杂信号。实现复杂信号电路极大促进了PCB板工艺、测试仪器、EDA工具的发展。对于它们，传统作法是让高速电路、模拟电路、数字电路独自成板或在电路上尽量隔离，以最小化相互间干扰。
\qquad 这种权益之法难以获得高精度和高可靠性，也无法满足超高密度和微型化的要求。理想化和规范化的作法是理论化、算法化、模型化从信号进入PCB板到PCB板输出信号的整个过程；在PCB板投入生产之前，在不同设计阶段，按照事先拟订的一整套满足制程工艺指标要求的设计规程，对电路设计和信号完整性进行分析和仿真。
\qquad 这些分析和仿真都应通过EDA工具来实施，只有那些达到所有性能指标的设计，才能进入下一步的PCB板制作。这样，不仅能避免过分依赖设计者经验，而且能满足设计复杂电路的要求，最大程度地减少设计和制作返工，缩短开发周期，节约开发成本。作为参考，下图给出了Mentor PCB设计仿真的全流程解决方案。
\qquad 上述理想化和规范化处理过程对面向复杂电路板设计的EDA工具提出了很高要求。它们必须算法化、模型化电磁学理论，包括：各种信号和信号源、基本元器件/连接器、通用和专用芯片、PCB板叠层/基材/信号层的物理和几何参数、电路布局和布线，并形成模型和参数库，以及定义可扩充的用户模型和参数接口。它们还必须对复杂PCB设计制定设计流程，选择最优化的仿真步骤和仿真功能对设计进行分析，以预防问题的发生。
(6) 连接工具-设计-制程的PDK
\qquad 单由EDA厂商无法完成这些，因为它们与IC/PCB代工厂的材料和制造工艺密切相关。实际上，当设计公司需要开发一个新IC芯片或（复杂电路）PCB板时，第一件事就是从EDA厂商、代工厂、或第三方公司/机构得到一套工艺设计包(process design kit, PDK)。PDK用代工厂的语言定义了一整套反映制程工艺的文档资料，其中不仅包含了反映制造工艺的基本“积木块”：晶体管、接触孔、互连线、等等，而且还包含了：
- Device Model：器件模型;
- Symbols & View：通过了SPICE 仿真验证的原理图设计符号和参数化设计单元；
- CDF (Component Description Format)：器件属性描述文件，定义了器件类型、器件名称、器件参数及参数调用关系函数集、器件模型、器件的各种视图格式等；
- Pcell (Parameterized Cell)：便于进行原理图驱动版图设计的参数化单元，其对应的版图通过了DRC和LVS验证；
- Technology File：用于版图设计和验证的工艺文件，包含设计数据层和工艺层的映射关系定义、设计数据层的属性定义、在线设计规则、电气规则等；
- PV Rule：物理验证规则文件，包含版图验证文件DRC/LVS/RCX，以及对于Cadence的一些特定支持。
因此，PDK是沟通设计公司、代工厂与EDA工具的桥梁，是设计公司用来做物理验证的基石，是流片和打样成败的关键因素。
\qquad 对于EDA工具，它的仿真功能必须正确反映了代工厂制造工艺的流程和特征，并在对IC芯片或PCB板进行仿真时，将PDK文档数据作为仿真模型的实际参数来工作。这样才能正确、有效、分阶段地对实际设计实施仿真和验证，达到保证质量和控制成本的目标。
(7) 高速PCB板设计方案举例
\qquad 具体EDA工具的仿真功能实现则更复杂，这里以Cadence的PCB Design Studio给出一例。Cadence发布了一个工具选件Allegro PCB，这是一个功能非常实用的高速电路设计及信号完整性分析和仿真软件，利用它能根据叠层排序、PCB介电常数、介质厚度、信号层所处位置以及线宽等等，来判断某一PCB线条是否属于微带线、带状线、宽带耦合带状线，并根据不同计算公式自动计算出信号线阻抗以及信号线反射、串扰、电磁干扰等等，从而可以对布线进行约束以保证PCB信号完整性。
\qquad 它在布线时利用Interconnect Flow Designer (IFD)工具设置各种约束条件，这些约束条件包括了范围广泛的物理和电气性能参数，如常见的PCB线宽、过孔数目、阻抗范围，还有峰值串扰、过冲特性、信号延时、阻抗匹配等；用仿真结果，在PCB中，对时序、信号完整性、电磁兼容、时间特性及其他相关问题上做出最优化设计。
\qquad Cadence软件针对高速PCB板设计制定了设计流程，主要思想是用最好的仿真分析设计来预防问题发生，尽量在PCB制作前解决问题。与传统设计流程相比，最主要差别是增加了控制节点，从而有效地控制设计流程。它将原理图设计、PCB布局布线和高速仿真分析集成于一体，可以解决在设计中各个环节存在的与电气性能相关的问题。通过对时序、信噪、串扰、电源结构和电磁兼容等多方面的因素进行分析，可以在布局布线之前对系统的信号完整性、电源完整性、电磁干扰等问题作最优设计。