高速數(shù)字系統(tǒng)中的信號完整性及實(shí)施方案

摘要：描述了高速數(shù)學(xué)電路中典型的信號完整性問題，分析了各種破壞信號完整性的原因及解決方案，并結(jié)合一個實(shí)際的高速DSP系統(tǒng)，闡述實(shí)現(xiàn)信號完整性的具體方法。關(guān)鍵詞：信號完整性 端接 DSP系統(tǒng) 現(xiàn)在的高速數(shù)字系統(tǒng)的時鐘頻率可能高達(dá)數(shù)百兆Hz，其快斜率瞬變和極高的工作頻率，以及很大的電路密集度，必將使得系統(tǒng)表現(xiàn)出與低速設(shè)計(jì)截然不同的行為，出現(xiàn)了信號完整性問題。破壞了信號完整性將直接導(dǎo)致信號失真、定時錯誤，以及產(chǎn)生不正確數(shù)據(jù)、地址和控制信號，從而造成系統(tǒng)誤工作甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此，信號完整性問題已經(jīng)越來越引起高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。1 信號完整性問題及其產(chǎn)生機(jī)理 信號完整性SI（Signal Integrity）涉及傳輸線上的信號質(zhì)量及信號定時的準(zhǔn)確性。在數(shù)字系統(tǒng)中對于邏輯1和0，總有其對應(yīng)的參考電壓，正如圖1（a）中所示：高于ViH的電平是邏輯1，而低于ViL的電平視為邏輯0，圖中陰景域則可視為不確定狀態(tài)。而由圖1（b）可知，實(shí)際信號總是存在上沖、下沖和振鈴，其振蕩電平將很有可能落入陰影部分的不確定區(qū)。信號的傳輸延遲會直接導(dǎo)致不準(zhǔn)確的定時，如果定時不夠恰當(dāng)，則很有可能得到不準(zhǔn)確的邏輯。例如信號傳輸延遲太大，則很有可能在時鐘的上升沿或下降沿處采不到準(zhǔn)確的邏輯。一般的數(shù)字芯片都要求數(shù)據(jù)必須在時鐘觸發(fā)沿的tsetup前即要穩(wěn)定，才能保證邏輯的定時準(zhǔn)確（見圖1（c））。對于一個實(shí)際的高速數(shù)字系統(tǒng)，信號由于受到電磁干擾等因素的影響，波形可能會比我們想象中的更加糟糕，因而對于tsetup的要求也更加苛刻，這時，信號完整性是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，必須加以認(rèn)真對待。 一個數(shù)字系統(tǒng)能否正確工作其關(guān)鍵在于信號定時是否準(zhǔn)確，信號定時與信號在傳輸線上的傳輸延遲和信號波形的損壞程序有關(guān)。信號傳輸延遲和波形破損的原因復(fù)雜多樣，但主要是以下三種原因破壞了信號完整性： （1）反射噪聲 其產(chǎn)生的原因是由于信號的傳輸線、過孔以及其它互連所造成的阻抗不連續(xù)。 （2）信號間的串?dāng)_ 隨著印刷板上電路的密度度不斷增加，信號線間的幾何距離越來越小，這使得信號間的電磁耦合已經(jīng)不能忽略，這將急劇增加信號間的串?dāng)_。（3）電源、地線噪聲 由于芯片封裝與電源平臺間的寄生電感和電阻的存在，當(dāng)大量芯片內(nèi)的電路輸出級同時動作時，會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，導(dǎo)致電源線上和地線上電壓波動和變化，這也就是我們通常所說的地跳。 一個數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可能非常復(fù)雜，它可能包括子板、母板和底板，板間連接是通過一些連接子或者電纜來實(shí)現(xiàn)的，而高速印制板上的信號則是通過傳輸線、過孔以及芯片的輸入輸出引腳來進(jìn)行互連的。這些物理連接（包括地平臺和電源平面）由于存在著傳輸特性的差異，從而使信號完整性到了破壞。因此，為保證一個高速數(shù)字系統(tǒng)正常工作，必須消除因?yàn)槲锢磉B接不當(dāng)而產(chǎn)生的負(fù)面影響。 2 保證信號完整性的方法 當(dāng)信號線的長度大于傳輸信號的波長時，這條信號線就應(yīng)該被看作是傳輸線（長線），并且需要考慮印制板上的線間互連和板層特性對電氣性能的影響。在高速系統(tǒng)中，信號線通常被建模為一個R-L-C梯形電路的級連。由于信號線上各處的分布參數(shù)存在差異，尤其是在芯片的輸入、輸出引腳處，這種差異更加明顯。由于阻抗的不匹配，會導(dǎo)致信號在信號線上產(chǎn)生很大的反射。消除反射的習(xí)慣做法是盡量減小高速傳輸線的長度，以減小信號線的傳輸線效應(yīng)。實(shí)際上我們還可以在輸出、輸入端處端接匹配電阻來達(dá)到阻抗匹配的目的，并以此來消除信號的反射。當(dāng)幾條高速信號并行走線且這些信號線之間的距離很近時，就不能忽略串?dāng)_對系統(tǒng)的影響。兩條并行的信號線之間的串?dāng)_可以用圖2來建模，圖中“非門”輸出線上的信號會在“與非門”的輸出線上產(chǎn)生干擾。反過來，“與非門”輸出線上的信號也會在非門輸出線上產(chǎn)生干擾。從圖中可以看到：如果兩條并行線之間的距離越小，并行線并行的長度越長，則并行線間的感性耦合、容性耦合就越大，串?dāng)_也就越大。從減小感性耦合和容性耦合的角度來看，消除串?dāng)_的最有效的方法是增大并行線間的間距，同時盡量減小并行線的并行長度。當(dāng)然也可以改變印制板上的絕緣介質(zhì)特性參數(shù)來減小這種耦合，以達(dá)到減小串?dāng)_的目的，但這可能會增加制板的費(fèi)用。 有時候在PCB板尺寸要求很苛刻的情況下，未必能夠保證并行線間的足夠空間，因此要適當(dāng)改變布線策略，盡可能地保護(hù)比較重要的信號線，并依靠端接來大幅度地消除串?dāng)_。基于不同的布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，端接的策略也可能不同，主要有以下三種方式：單贈載網(wǎng)絡(luò)一般采用串行端接；菊花鏈結(jié)構(gòu)一般采用AC并行端接；星形布線一般也采用AC并行端接（如圖3所示）。 電源噪聲一直就是讓設(shè)計(jì)人員頭痛的問題，尤其在高速設(shè)計(jì)中，消除電源噪聲就不再像在每一個芯片的供電引腳上并聯(lián)電容進(jìn)行電源濾波那么簡單了。采用π型等效電路以及磁珠等，會給清除電磁干擾帶來一定好處。但是在高速系統(tǒng)中，由于高頻信號在傳導(dǎo)的過程中，其信號回流通過電源系統(tǒng)（尤其是多層板中的平面層）所造成的高頻串?dāng)_，才是高速系統(tǒng)中電源噪聲的最大來源。有效地旁路地和電源上的反彈噪聲，即在合適的地方增加去耦電容，例如一個高速信號的過孔也可能會對電源產(chǎn)生很大的噪聲，因此在高速過孔附近加上去耦電容是非常必要的。同時還要注意消除系統(tǒng)中的不同電源間的互相干擾，一般的做法是在一點(diǎn)處連接，中間采用EMI濾波器。 3 DSP系統(tǒng)中信號完整性的實(shí)例 在正交頻分復(fù)用OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中，時鐘率高達(dá)167MHz，時鐘沿時間為0.6ns，系統(tǒng)構(gòu)成中有TMS320C6701 DSP以及SBSRAM、SDRAM、FIFO、FLASH和FPGA（如圖4所示）。其中FIFO采用異步FIFO，主要用作與前端接口的數(shù)據(jù)緩存；DSP的DMA高速地將數(shù)據(jù)搬移到SBSRAM或者SDRAM中；DSP處理完數(shù)據(jù)由多通道緩沖串口（MCBSP）將BIT流輸出到FPGA中進(jìn)行解碼處理。由于系統(tǒng)工作在很高的時鐘頻率上，所以系統(tǒng)的信號完整性問題就顯得十分重要。 首先對系統(tǒng)進(jìn)行分割，系統(tǒng)中不僅有高速部分，也有異步的低速部分，分割的目的是要重點(diǎn)保護(hù)高速部分。DSP與SBSRAM、SDRAM接口是同步高速接口，對它的處理是保證信號完整性的關(guān)鍵；與FIFO、FLASH、FPGA接口采用異步接口，速率可以通過寄存器進(jìn)行設(shè)置，信號完整性要求容易達(dá)到。高速設(shè)計(jì)部分要求信號線盡量短，盡量靠近DSP。如果將DSP的信號線直接接到所有的外設(shè)上，一方面DSP的驅(qū)動能力可能達(dá)不到要求，另一方面由于信號布線長度的急劇增加，必然會帶來嚴(yán)重的信號完整性問題。所以，在該系統(tǒng)中體體的處理辦法是將高速器件與異步低速器件進(jìn)行隔離（如圖4所示），在這里采用TI的SN74LVTH162245實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離，利用準(zhǔn)確的選通邏輯將不同類型數(shù)據(jù)分開；用SN74ALB16244構(gòu)成地址隔離，同時還增強(qiáng)了DSP的地址驅(qū)動能力。這種解決方案可以縮短高速信號線的傳輸距離，以達(dá)到信號完整性的要求。 其次是對系統(tǒng)中高速時鐘信號與關(guān)鍵信號進(jìn)行完整性設(shè)計(jì)。與SBSRAM接口的時鐘高達(dá)16MHz，與SDRAM接口的時鐘高達(dá)80MHz，時鐘信號傳輸處遲大小和信號質(zhì)量的優(yōu)劣將直接關(guān)系到系統(tǒng)的定時是滯準(zhǔn)確。在設(shè)計(jì)布局布線時，總是優(yōu)考慮這些重要的時鐘線，即通過規(guī)劃時鐘線，使得時鐘線的連線遠(yuǎn)離其它的信號線；連線盡量短，并且加上地線保護(hù)。本系統(tǒng)中由于要求大量存儲器（使用了4片SDRAM），對于要求較高的同步時鐘來說，如果采用星型布線，就很難保證時鐘的扇出能力，而且還將導(dǎo)致PCB布線尺寸的增大，從而直接影響信號完整性。因此很有必要采用時鐘緩沖器來產(chǎn)生4個同相的、延遲極小且一致的時鐘，分別接到4片SDRAM上，這樣不但增加了時鐘信號的驅(qū)動能力，同時秀好地保證了信號完整性（如圖5的所示）。對于其它的關(guān)鍵信號諸如FIFO的讀寫信號等，也應(yīng)盡心設(shè)計(jì)。第三點(diǎn)是解決信號的反射、串?dāng)_噪聲問題。這一點(diǎn)在一高速系統(tǒng)中顯得尤其重要，解決的辦法是通過采用先進(jìn)的EDA工具，選擇正確的布線策略和端接方式，從而得到的理想的信號波形。在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時，基于IBIS模型，使用Hyperlynx進(jìn)行設(shè)計(jì)前仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，選擇出最優(yōu)的布線策略。圖6為端接和未加端接的信號波形及串?dāng)_波形圖，從圖中可以看到端接對消除反射、振蕩和串?dāng)_到了明顯的作用。 最后是解決系統(tǒng)中的電源和EMI問題。首先一定要盡量減小系統(tǒng)中的各種電源之間的互相影響，如數(shù)字電源和模擬電源通常只在點(diǎn)處連接，且中間加磁珠濾波；還要選擇合適的位置放置去耦電容，做到有效地旁路電源和地線上的反彈噪聲；最后是在印制板的頂（TOP）層和底（BOTTOM）層大面積鋪銅，用較多的過孔將這些地平面連接在一起，這些措施對解決EMI和電源噪聲都能起到積極的作用。該系統(tǒng)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方案，首先進(jìn)行系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，將兼容的器件放置在相對集中的區(qū)域；然后進(jìn)行重要信號的設(shè)計(jì)，保證在重要信號的設(shè)計(jì)規(guī)則下順利布線；接下來用EDA軟件輔助消除反射、串?dāng)_等噪聲；最后進(jìn)行電源和EMI軟件。該系統(tǒng)現(xiàn)已調(diào)試通過，實(shí)踐證明以上保證信號完整性的措施是必要而且正確的。 隨著新工藝、新器件的迅猛發(fā)展，高速器件的應(yīng)用變得越來越普遍，高速電路設(shè)計(jì)也就成了普遍需要的技術(shù)。信號完整性的分析在高速設(shè)計(jì)的作用舉足輕重，只有解決好高速設(shè)計(jì)中的信號完整性，高速系統(tǒng)才能準(zhǔn)確、穩(wěn)定地工作。本文提出了若干保證信號完整性的方法和措施，并通過具體高速數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了這些方法的可行性，僅供硬件工程師借鑒和參考。