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Cadence Sigrity理论分析与仿真实践

作译者：黄刚,周伟,吴均

出版时间：2026-09 千字数：663 版次：01-01 页数：436

开本：16开装帧： I S B N ：9787121533396

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纸质书定价：￥129.0

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目 录
第 1 章 不同设计阶段的 SI、PI 问题及 Cadence Sigrity 仿真套件介绍........................................................ 1
1.1 从“路”的思维到“场”的思维............................................................................................ 1
1.2 硬件领域不同工程师的视角.................................................................................................... 4
1.3 不同的设计阶段，不一样的 SI、PI 问题............................................................................... 7
1.3.1 如何划分设计阶段........................................................................................................ 7
1.3.2 初步高速阶段的 SI、PI 问题....................................................................................... 9
1.3.3 串行开始阶段的 SI、PI 问题..................................................................................... 13
1.3.4 高速并行总线阶段的 SI、PI 问题............................................................................. 17
1.3.5 高速串行总线阶段的 SI、PI 问题............................................................................. 19
1.3.6 下一代高速串行总线的 SI、PI 问题......................................................................... 22
1.4 Sigrity 仿真套件介绍.............................................................................................................. 24
1.4.1 Advanced SI 功能模块 ................................................................................................ 25
1.4.2 Advanced PI 功能模块 ................................................................................................ 26
1.4.3 EMI/EMC 相关功能仿真模块.................................................................................... 28
1.4.4 更强大的 3D 全波提取方案 ....................................................................................... 31
1.5 面对下一代需求的 SI、PI 仿真工具平台............................................................................. 33
1.5.1 AI 时代的仿真工具—Optimality............................................................................ 33
1.5.2 针对 PCB、IC 封装和 SoIC 设计的系统级热完整性分析....................................... 35
第 2 章 传输线特性仿真分析.........................................................................................................................................38
2.1 传输线各阶模型...................................................................................................................... 38
2.1.1 信号到底是怎么传输的.............................................................................................. 38
2.1.2 传输线零阶模型的理论与仿真.................................................................................. 40
2.1.3 无损传输线一阶模型的理论与仿真 .......................................................................... 41
目 录 ? IX ? 
2.1.4 有损传输线二阶模型的理论与仿真 .......................................................................... 45
2.2 传输线的阻抗表征方式.......................................................................................................... 47
2.2.1 电阻与阻抗的概念...................................................................................................... 47
2.2.2 PCB 传输线阻抗的影响因素 ..................................................................................... 52
2.2.3 传输线时域阻抗和频域参数的关系 .......................................................................... 59
2.3 传输线的长度与时间.............................................................................................................. 64
2.3.1 影响 PCB 传输线延时的因素..................................................................................... 64
2.3.2 PCB 传输线延时仿真 ................................................................................................. 65
2.4 传输线的损耗仿真.................................................................................................................. 68
2.4.1 S 参数：从频域上评估损耗....................................................................................... 68
2.4.2 传输线的导体损耗和介质损耗.................................................................................. 70
2.4.3 微带线与带状线的损耗仿真...................................................................................... 73
2.4.4 影响传输线损耗的设计因素...................................................................................... 77
第 3 章 传输线反射与端接的理论与仿真................................................................................................................80
3.1 反射理论介绍.......................................................................................................................... 80
3.1.1 反射系数与反弹图...................................................................................................... 80
3.1.2 反射与上升时间及长度的关系.................................................................................. 84
3.1.3 容性反射与感性反射仿真.......................................................................................... 86
3.2 端接方式的理论与仿真.......................................................................................................... 92
3.2.1 源端串联端接电阻的理论与仿真.............................................................................. 94
3.2.2 末端并联端接电阻的理论与仿真.............................................................................. 97
3.2.3 RC 端接的理论与仿真.............................................................................................. 101
3.2.4 二极管端接的理论与仿真........................................................................................ 104
3.3 拓扑类型的理论与仿真........................................................................................................ 106
3.3.1 星形拓扑的理论与仿真............................................................................................ 106
3.3.2 树形拓扑的理论与仿真............................................................................................ 109
3.3.3 菊花链拓扑的理论与仿真........................................................................................ 113
第 4 章 传输线串扰的理论与仿真.............................................................................................................................118
4.1 串扰的原理介绍.................................................................................................................... 118
4.1.1 从电磁场的角度理解串扰........................................................................................ 118
4.1.2 从容性和感性的角度理解串扰................................................................................ 121
4.2 从时域仿真上看串扰............................................................................................................ 123
Cadence Sigrity 理论分析与仿真实践 ? X ?
4.2.1 时域上的近端串扰和远端串扰................................................................................ 123
4.2.2 耦合长度与串扰的关系............................................................................................ 128
4.3 从频域仿真上看串扰............................................................................................................ 135
4.3.1 频域上的近端和远端串扰仿真................................................................................ 135
4.3.2 PCB 设计上改善串扰的方法 ................................................................................... 138
4.3.3 高速协议上串扰的表征方式.................................................................................... 142
4.4 串扰与信号模态转换的关系................................................................................................ 145
4.4.1 传输线的模态分类.................................................................................................... 145
4.4.2 串扰与信号模态的仿真............................................................................................ 146
4.4.3 设计工程仿真案例.................................................................................................... 149
第 5 章 芯片封装基板的设计与仿真........................................................................................................................152
5.1 封装基板整体介绍................................................................................................................ 152
5.1.1 主流芯片封装方式介绍............................................................................................ 152
5.1.2 封装基板设计案例展示............................................................................................ 156
5.2 封装基板电源的仿真流程.................................................................................................... 162
5.2.1 DC 直流压降仿真流程介绍 ..................................................................................... 164
5.2.2 PDN 交流阻抗仿真流程介绍................................................................................... 171
5.3 封装基板 DDR 模块的仿真流程 ......................................................................................... 175
5.3.1 XtractIM 的 RLC 参数提取的仿真流程................................................................... 175
5.3.2 PowerSI 的 2.5D 提取仿真流程 ............................................................................... 183
5.3.3 Clarity 3D Layout 的提取仿真流程.......................................................................... 187
5.4 封装基板高速串行信号模块的仿真流程............................................................................ 191
第 6 章 高速串行总线仿真分析..................................................................................................................................198
6.1 Clarity 3D 仿真及案例.......................................................................................................... 198
6.1.1 Clarity 3D 介绍.......................................................................................................... 198
6.1.2 Clarity 3D 的操作步骤.............................................................................................. 200
6.1.3 Topology Explorer II 系统级联仿真......................................................................... 210
6.2 常见高速串行信号的设计与仿真问题................................................................................ 216
第 7 章 电源完整性仿真分析...................................................................................................................................... 233
7.1 板级直流压降仿真及流程.................................................................................................... 233
7.2 系统级直流压降仿真及流程................................................................................................ 240
目 录 ? XI ? 
7.3 板级 PowerSI 仿真及流程.................................................................................................... 244
7.4 Topology Workbench 系统级 PDN 阻抗仿真...................................................................... 252
第 8 章 DDRx 总线仿真分析 ....................................................................................................................................... 256
8.1 存储简介................................................................................................................................ 256
8.1.1 DDR5 基本介绍 ........................................................................................................ 257
8.1.2 LPDDR5/5X 基本介绍.............................................................................................. 260
8.1.3 GDDR6 基本介绍...................................................................................................... 261
8.1.4 高带宽内存基本介绍................................................................................................ 265
8.2 DDR5 系统仿真案例 ............................................................................................................ 269
8.2.1 仿真前的准备............................................................................................................ 270
8.2.2 SystemSI 系统仿真.................................................................................................... 275
第 9 章 EMC/EMI 的原理与仿真分析....................................................................................................................... 287
9.1 EMC/EMI 的原理介绍.......................................................................................................... 287
9.1.1 信号与回流路径问题研究........................................................................................ 287
9.1.2 EMI 辐射原理............................................................................................................ 290
9.2 近场和远场的 EMC 仿真案例 ............................................................................................. 292
9.2.1 近场仿真流程介绍.................................................................................................... 292
9.2.2 远场仿真流程介绍.................................................................................................... 298
9.3 信号质量与 EMC.................................................................................................................. 300
9.3.1 信号的时域与频域分析............................................................................................ 300
9.3.2 信号质量与 EMC 仿真分析 ..................................................................................... 303
第 10 章 无源仿真测试校准及案例 ..........................................................................................................................314
10.1 矢量网络分析仪介绍.......................................................................................................... 314
10.1.1 矢量网络分析仪原理介绍...................................................................................... 315
10.1.2 矢量网络分析仪操作流程...................................................................................... 320
10.2 去嵌方式介绍...................................................................................................................... 326
10.2.1 TRL 校准 ................................................................................................................. 327
10.2.2 ISD/AFR 去嵌.......................................................................................................... 332
10.2.3 不同方式的去嵌测试实例...................................................................................... 334
10.3 高速链路结构的仿真与测试拟合...................................................................................... 336
10.3.1 同轴连接器的仿真与测试拟合.............................................................................. 336
Cadence Sigrity 理论分析与仿真实践 ? XII ?
10.3.2 板材参数的仿真与测试拟合.................................................................................. 338
10.3.3 各种高速链路结构的仿真与测试拟合 .................................................................. 344
10.4 无源测试解决实际问题案例.............................................................................................. 351
第 11 章 示波器测试仿真校准及案例..................................................................................................................... 355
11.1 示波器的原理及操作介绍.................................................................................................. 355
11.1.1 示波器的原理介绍.................................................................................................. 356
11.1.2 示波器的功能区及界面介绍.................................................................................. 357
11.2 通用夹具及测试案例介绍.................................................................................................. 361
11.2.1 光模块的夹具及测试案例介绍.............................................................................. 361
11.2.2 PCIe 信号的夹具及测试案例介绍 ......................................................................... 370
11.2.3 DDR 模块夹具及测试案例介绍............................................................................. 376
11.3 有源仿真与测试校准介绍.................................................................................................. 380
11.3.1 DDR 模块仿真与测试校准案例............................................................................. 380
11.3.2 高速串行信号仿真与测试校准案例 ...................................................................... 383
11.3.3 电源噪声仿真与测试校准案例.............................................................................. 385
第 12 章 Sigrity 软件新功能前瞻............................................................................................................................... 390
12.1 DDR5 仿真的 Optimality 优化........................................................................................... 390
12.2 3D 无源结构的 Optimality 优化......................................................................................... 394
12.3 高速串行信号时域仿真的 Optimality 优化....................................................................... 401
12.4 3D 电热协同仿真................................................................................................................ 404
12.5 单板的应力及翘曲度仿真.................................................................................................. 416

推 荐 序
随着人工智能时代的到来，算力芯片、高速内存条与高速串行总线技术持续快速迭代，PCB 与芯片封装基板的工作频率已经突破 GHz 量级，信号完整性、电源完整性及 EMI 电磁兼容已成为高速硬件设计绕不开的核心关卡。许多硬件工程师与仿真从业者常陷入两类困境：一类是具备电路理论基础知识，却缺少系统化的仿真落地能力，无法通过仿真工具提前预判振铃、串扰、电源谐振、辐射超标等工程故障。? 另一类虽能熟练操作仿真软件，却缺乏底层理论支撑，面对仿真结果只能被动调整参数，难以从根源上优化设计。本书完整打通了“理论原理—Sigrity 仿真实操—实测校准验证”全链路，着力解决了行业内理论与工具脱节的现象。
本书以 Cadence Sigrity 仿真套件为载体，搭建了由浅入深、层层递进的完整知识体系。从传输线 RLGC 基础模型、反射与串扰等底层 SI 理论起步，循序渐进地讲解封装基板、DDR存储器、PCIe 高速串行总线、PDN 电源完整性、EMI 电磁仿真等核心场景。区别于市面上仅侧重软件操作的工具书，本书将电路物理原理与仿真流程深度绑定，每项仿真操作均配有对应的理论推导，让读者知其然更知其所以然。
同时，书中增加了同类出版物中稀缺的实测校准章节，系统讲解矢量网络分析仪与高速示波器的测试、去嵌、夹具校准等方法，打通仿真模型与实物测试的数据闭环，切实解决仿真结果与实际产品偏差较大的行业痛点。
本书兼顾单板硬件工程师、封装仿真工程师与 EMC 工程师的学习需求：初学者可从传输线基础章节入手，逐步建立完整的高速电路设计思维。具备多年仿真经验的资深工程师，也能从 DDR5 仿真、3D 全波 Clarity 仿真、封装基板电热耦合、单板翘曲力学仿真等前沿内容中获得进阶思路。
书末针对 Sigrity 软件新功能的前瞻性优化方案，贴合当下先进封装与高速算力硬件的研发趋势，具备较强的工程落地价值。
高速仿真从来不是单纯的软件操作，而是物理理论、仿真工具与实物测试三者的综合能力体现。本书摒弃碎片化的知识点罗列，以真实工程案例串联全部内容，所有仿真流程、参数优化与故障排查方法均源自一线研发实践，无空洞的理论堆砌。无论是在校从事高速电路研究的师生，还是深耕服务器、显卡、存储元器件、高端消费电子等领域的硬件与仿真研发人员，均可将本书作为日常研发的常备工具书，快速提升高速电路设计与仿真分析能力，有效规避产品迭代中的高速信号、电源及电磁兼容风险。
本书是一本兼顾理论深度、工具实操、实测验证与前沿技术的高质量高速仿真专业著作，值得每一位深耕高速硬件领域的从业者细细研读。
Cadence AE Group Director，王辉


很荣幸，Cadence 主导编写、高速先生团队提供了部分案例的上一本书《Cadence印制电路板设计：Allegro PCB Editor设计指南（第3版）》，得到广大读者的认可，但也收到不少反馈，主要希望增加仿真实操方面的介绍。讲操作就一定要涉及仿真软件，上一本书出版已近十年了，其间仿真软件功能有很多更新，业界也在期盼一本系统介绍 Sigrity 仿真的新书。因此，在取得 Cadence 相关授权后，我们决定推出一本新书，将高速先生团队的理论研究与项目实战经验相融合，并结合 Sigrity 软件操作展开详解。经过一年多的精心编校，这样的一本书终于要和大家见面了！
本书特点
本书延续上一本书的风格，定位为科普性高速仿真技术读物，力求讲得有趣、通俗易懂，让读者愿意细读，且大多数人都能坚持读完。书里没有高深的知识点，避免繁杂的公式推导，更不会给出似是而非、模棱两可的案例和结论。我们将用直观的描述，简单的案例介绍，让广大硬件工程师认识到什么是高速设计；让 PCB 设计工程师在设计中明白应对不同的信号类型需要做好哪些事情；让刚入行的 SI/PI 工程师借助本书中介绍的 Sigrity 软件实际操作，快速入门和上手。概括为一句话，本书的目标就是让读者拿起来就能用，读后有所收获。
本书内容
在内容编排上，本书围绕高速设计中大家熟知的传输线理论、反射、端接、串扰等基础知识点，以及针对不同信号类型的仿真案例，予以系统串联。总体思路是，从理论出发，同时将 Sigrity 各功能模块嵌入相应章节同步介绍，贯彻高速先生团队一贯倡导的“理论与实践结合”理念。
第 1 章开篇，先直面高速信号的发展趋势与日益增长的设计难度，引出仿真的重要性，并在仿真平台介绍中做总体概述，使读者对 Sigrity 仿真套件的适用场景和全面性有整体认知。
第 2 章为传输线特性仿真分析，通过仿真与理论对照，研究传输线相关特性。
第 3 章聚焦传输线反射与端接的理论及仿真，结合实际设计场景分析信号反射的影响。
第 4 章深入探讨传输线串扰的理论与仿真，剖析串扰成因及其在频域和时域对信号的影响。
在完成基础 SI 理论介绍后，第 5 章开始转向更贴近工程应用的仿真场景。第 5 章展示芯片封装基板设计与仿真，涵盖封装基板中的高速、电源及 DDR 仿真方法。
第 6、7、8 章则分别针对上述三种不同信号类型，详细介绍其在 PCB 主板上的仿真，包括：PowerSI 的 PDN 功能与电源仿真理论结合，Clarity 3D 功能在高速串行仿真中提取传输通道 S 参数的方法，以及 DDR 并行链路全通道仿真等被广泛关注的仿真技术。
第 5 至第 8 章旨在实现从封装基板到主板的仿真流程融合。此外，高速先生团队每年收到不少网友留言，希望增加 EMC方面的仿真介绍，考虑到相关产品研发群体的实际需求，我们在第 9 章中介绍了这部分内容，从理论到实践，深入浅出地介绍 EMC/EMI 仿真。
同时，高速先生团队近年来建立了自有高速实验室，大量客户曾携不同类型产品前来测试信号质量。作为兼具仿真与测试能力的团队，我们乐于分享仿真与测试的校准经验。因此，本书的第 10 章和第 11 章，我们把多年积累的用网络分析仪进行无源测试和用示波器进行有源测试的仿真测试案例一一呈现给大家，并将仿真与测试结果对照，以高拟合度展示高速先生团队的仿真实力。
最后一章“Sigrity 软件新功能前瞻”则着眼于仿真技术延伸—除常规仿真方式外，面对当前 AI 浪潮，Sigrity 套件开发了颇具 AI 特色的 Optimality 仿真模块。本书将详细介绍Optimality 在高速串行链路无源及有源仿真中的具体使用方法，及其在 DDR 内存仿真方面的优势，展示 AI 如何为高速及内存仿真带来更高效、更快速的解决方案。同时，针对更高要求的产品，本章还会介绍封装芯片行业更为关注的电热协同仿真，以及封装基板的压力及翘曲仿真等平时较少涉及的流程。
本书读者对象
本书的读者对象不限于 SI/PI 工程师，而是面向所有硬件从业人员，包括 PCB 设计工程师。我们希望不同岗位的朋友都能从书中找到对自身工作有益的知识与方法。同时，本书兼顾严谨性与科学性，并使用特定图标来标识作者较为主观的观点，引发辩证思考，帮助读者区分共识与见解。
为便于识别，我们在书中设置了三类图标，如下所示。高速先生团队看待 SI 和 PI 问题的独特视角，不保证科学严谨性，只追求有趣、生动、易于理解。 脑洞大开式观点，可能天马行空，但是却让人印象深刻。 
高速先生团队提供的实用建议，可以直接用于实际设计工作。 本书各章节编写分工如下：第 2、3、4、5、9、10、11 和 12 章由黄刚编写，第 6、7、8章由周伟编写，第 1 章总体介绍由吴均编写。第 5 至 8 章的仿真实例由高速先生团队成员共同贡献，第 10 章和第 11 章的测试案例来自我们的高速实验室，并通过仿真与测试结果拟合后呈现。书中诸多内容参考了高速先生团队的自媒体文章，凝聚了一博科技旗下高速先生技术团队的集体智慧。对本书出版做出贡献的成员还包括刘春、姜杰、刘丽娟、肖勇超等，在此一并致谢。
如对本书内容有任何疑问或建议，欢迎发送邮件至 highspeed@pcbdoc.com，一博科技高速先生团队期待与您交流。您也可关注高速先生公众号，直接与我们互动。公众号每周持续发布一篇原创文章，多年来深受行业朋友欢迎。
黄 刚
2026 年 6 月于深圳

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