信号完整性 （SI） 和电源完整性 （PI） 是两个不同但相关的分析领域，与数字电路的正确操作有关。在信号完整性方面，主要关注点是确保发射的 1 在接收器上看起来像 1（0 也是如此）。在电源完整性中，主要关注点是确保驱动器和接收器有足够的电流来发送和接收 1 和 0。因此，电源完整性可以被视为信号完整性的一个子集。实际上，它们都是与数字电路的正确模拟操作有关的分析。
　　的必要性 如果计算资源是无限的，那么这些不同类型的分析可能不存在。将立即分析整个电路，并识别并消除电路某一部分的问题。但是，除了受制于实际可以模拟的现实之外，拥有不同分析领域的好处是，特定问题可以分组解决，而不会归入“任何可能出错的事情”的范畴。
　　例如，在信号完整性方面，重点是从发射器到接收器的链接。可以只为发射器和接收器以及介于两者之间的一切创建模型。这使得仿真信号完整性相当简单。另一方面，电源完整性可能更难模拟，因为 “边界” 的定义较少，并且确实对信号完整性领域的项目有一定的依赖性。
　　在信号完整性方面，目标是消除信号质量、串扰和时序问题。所有这些类型的分析都需要相同类型的模型。这些包括驱动器和接收器、芯片封装和板互连的模型，后者由走线以及过孔、分立器件和/或连接器组成。驱动器和接收器模型包括有关缓冲器阻抗、边沿速率和电压摆幅的信息。通常，IBIS 或 SPICE 模型用作缓冲器模型。这些模型与互连模型一起使用，以运行仿真以确定信号在接收器上的外观。
　　互连将主要由电路板走线组成，其行为类似于传输线。这种传输线或 T 线具有特性阻抗、延迟和损耗。它们的特性决定了连接的驾驶员和接收器如何相互交互。互连的电磁特性必须使用某种类型的场求解器来解决，该求解器根据可与信号完整性仿真器一起使用的电路元件或 S 参数模型来表征它们。大多数轨迹可以建模为均匀的二维横截面。该横截面足以计算走线的特性阻抗。正是该阻抗将影响信号线上接收器处波形的形状。基本的信号完整性分析包括设置电路板叠层，包括适当的介电层厚度，并找到合适的走线宽度以实现走线的特定目标阻抗。

　　与过孔相比，走线相对容易建模。在对较快的信号进行信号完整性分析时，正确的过孔建模变得非常重要。多 GHz 范围内的信号通常需要 3D 场求解器中的模型进行适当表征。幸运的是，这些信号往往是差分的，这使得它们的影响相对局部化。通过过孔的快速单端信号与配电网络 （PDN） 的交互非常紧密。这些过孔的返回电流通过附近的旁路过孔、旁路电容器和/或平面对，这些元件构成 PDN 的元件相同，需要建模以进行电源完整性分析。

　　图 1.走线横截面、信号过孔和 PDN 上的能量传播。
　　在电源完整性分析中，高频能量通过传输平面分布。这立即使分析比基本信号完整性更复杂，因为能量沿 x 和 y 方向移动，而不是沿传输线的一个方向移动。
　　在 DC 中，建模相对简单，因为需要计算走线、平面形状和过孔的串联电阻。但对于高频，分析 PDN 上不同位置的电源和接地之间的阻抗需要复杂的计算。阻抗将根据电路板位置而变化 - 电容器的放置位置、安装方式以及电容器的类型和值。
　　建模中需要包括高频行为，例如安装电感和平面扩展电感，以便为去耦分析生成准确的结果。有一种简单的去耦分析版本，通常称为集总分析，其中 PDN 的阻抗被当作一个节点来计算。这通常是一种很好的、快速的 first-pass 类型分析，以确保有足够的 capacitor 并且它们是正确的值。然后，运行分布式去耦分析可确保电路板上的各个位置满足 PDN 的所有阻抗需求。
　　信号完整性仿真

　　信号完整性仿真侧重于高速信令的三个主要问题：信号质量、串扰和时序。对于信号质量，目标是获得具有良好干净边缘、没有过度过冲或回铃的信号。通常，这些问题可以通过添加某种类型的端接来解决，以使驱动器的阻抗与传输线相匹配。对于多点总线，并不总是可以匹配阻抗，因此需要结合拓扑上的端接和长度变化来控制反射，使其不会对信号质量和时序产生不利影响。

　　图 2.使用信号完整性分析和设计空间探索来消除信号质量和串扰问题。
　　可以运行这些相同的仿真来确定信号在电路板中传播时的飞行时间。board timing 是 system timing的一个重要部分，它受线路的长度、它们在电路板中传播时的传播速度以及接收器处波形的形状的影响。由于波形的形状决定了接收信号何时超过逻辑阈值，因此它对时序至关重要。这些模拟通常会改变对 trace 施加的长度约束。
　　通常运行的另一种信号完整性仿真是串扰。这涉及多条相互耦合的传输线。随着走线被封装到密集的电路板设计中，了解它们相互耦合的能量对于消除串扰引起的误差至关重要。这些模拟将推动 traces 之间的间距要求。
　　电源完整性仿真

　　在电源完整性分析中，仿真的主要类型是直流压降分析、去耦分析和噪声分析。直流压降分析涉及分析 PCB 上复杂的走线和平面形状，以确定由于铜的电阻而损失了多少电压。此外，可以使用 DC Drop 分析来识别高电流密度区域。这些实际上可以与热仿真器进行协同仿真，以查看加热效应。幸运的是，DC Drop 问题的解决方案很简单：添加更多金属。这种额外的金属可以采用更宽和/或更厚的走线和平面形状、额外的平面或额外的过孔的形式。

　　图 3.电流密度和温度图显示了 PI/Thermal 协同仿真中的“热点”
　　去耦分析，上面已经简要讨论过，旨在确定和化电路板上各个 IC 位置的电源和接地之间的阻抗。Decoupled 分析通常会改变 PDN 中使用的 capacitor 的值、类型和数量。因此，它需要包含寄生电感和电阻的电容器模型。它还可以推动电容器安装方式的改变和/或电路板叠层的改变，以满足低阻抗要求。
　　噪声分析的类型可能会有所不同。它们可以包括来自电路板周围传播的 IC 电源引脚的噪声，并由去耦电容器控制。它可以是研究噪声如何从一个过孔耦合到另一个过孔。它可以是对同步开关噪声的分析。在许多情况下，这种噪声是由信号切换引起的，从 1 到 0 和 0 到 1，因此它与信号完整性密切相关。然而，在所有情况下，这些电源完整性分析的终目标是推动 PDN 的变化：电源/接地层对、走线、电容器和过孔。

　　表 1.信号完整性和电源完整性之间的区别