高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與仿真

摘要：介紹了專(zhuān)用于高速數(shù)字電路的仿真工具Hyperlynx，并使用它對(duì)高速數(shù)字電路中的阻抗匹配、傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度與串?dāng)_問(wèn)題進(jìn)行布線(xiàn)前的模型建立和仿真，通過(guò)仿真結(jié)果分析給出了相應(yīng)解決辦法，尤其在傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度上提供了LVDS電路的解決辦法。通過(guò)軟件平臺(tái)對(duì)電路參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行比較與分析，給出了高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性結(jié)論。
關(guān)鍵詞：信號(hào)完整性；高速電路；PCB；Hyperlynx，IBIS

    高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵在于保持信號(hào)的完整，而影響信號(hào)完整性(即信號(hào)質(zhì)量)的因素主要有傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度、電阻匹配及電磁干擾、串?dāng)_等。設(shè)計(jì)過(guò)程中要保持信號(hào)的完整性必須借助一些仿真工具，仿真結(jié)果對(duì)PCB布線(xiàn)產(chǎn)生指導(dǎo)性意見(jiàn)，布線(xiàn)完成后再提取網(wǎng)絡(luò)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行布線(xiàn)后仿真，仿真沒(méi)有問(wèn)題后才能送出加工。目前這樣的仿真工具主要有cadence、ICX、Hyperlynx等。Hyperlynx是個(gè)簡(jiǎn)單好用的工具，軟件中包含兩個(gè)工具LineSim和BoardSim。LineSim用在布線(xiàn)設(shè)計(jì)前約束布線(xiàn)和各層的參數(shù)、設(shè)置時(shí)鐘的布線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、選擇元器件的速率、診斷信號(hào)完整性，并盡量避免電磁輻射及串?dāng)_等問(wèn)題。BoardSim用于布線(xiàn)以后快速地分析設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性、電磁兼容性和串?dāng)_問(wèn)題，生成串?dāng)_強(qiáng)度報(bào)告，區(qū)分并解決串?dāng)_問(wèn)題。作者使用LineSim工具，對(duì)信號(hào)的阻抗匹配、傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度、串?dāng)_進(jìn)行了仿真分析，并給出了指導(dǎo)性結(jié)論。

    阻抗匹配

    高速數(shù)字信號(hào)的阻抗匹配非常關(guān)鍵，如果匹配不好，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生較大的上沖和下沖現(xiàn)象，如果幅度超過(guò)了數(shù)字信號(hào)的閾值，就會(huì)產(chǎn)生誤碼。阻抗匹配有串行端接和并行端接兩種，由于串行端接功耗低并且端接方便，實(shí)際工作中一般采用串行端接。以下利用Hyperlynx仿真工具對(duì)端接電阻的影響進(jìn)行了分析。以74系列建立仿真IBIS模型如圖1所示。仿真時(shí)選擇一個(gè)發(fā)送端一個(gè)接收端，傳輸線(xiàn)為帶狀線(xiàn)，設(shè)置線(xiàn)寬0.2mm和介電常數(shù)為4.5(常用的FR4材料)，使傳輸線(xiàn)的阻抗為51.7Ω。設(shè)置信號(hào)頻率為50MHz的方波，串行端接電阻Rs分別取0Ω、33Ω和100Ω的情況，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖2所示。 

     
    圖1　74系列仿真模型 

    
    圖2　不同串行端接電阻的仿真結(jié)果

    圖中分別標(biāo)出了匹配電阻是0Ω、33Ω、100Ω時(shí)接收端的信號(hào)波形。從波形看出，0Ω時(shí)波形有很大的上沖和下沖現(xiàn)象，信號(hào)最差；100Ω時(shí)信號(hào)衰減較大，方波幾乎變成了正弦波；而匹配電阻是33Ω時(shí)波形較好。理想的匹配電阻值，可以利用軟件的terminatorWizard工具，自動(dòng)根據(jù)器件的參數(shù)模型算出最佳匹配電阻為33.6Ω，實(shí)際應(yīng)用中可以選用33Ω。利用仿真和器件的IBIS模型，可以很精確地知道匹配電阻值的大小，從而使信號(hào)完整性具有可控性。

    傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度的影響

    在高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中，除了阻抗匹配外，部分器件對(duì)傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度有著嚴(yán)格的要求，信號(hào)頻率越高，要求傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度越短。以X1器件和X2器件為例建立仿真模型如圖3所示。在仿真模型中加了33Ω的匹配電阻，選擇仿真信號(hào)頻率為66MHz方波，改變傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度分別為76.2mm和254mm時(shí)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖4所示。 

    
    圖3　X1、X2器件仿真模型 

     
    圖4　不同長(zhǎng)度傳輸線(xiàn)仿真結(jié)果

    從圖中看出，信號(hào)線(xiàn)加長(zhǎng)后，由于傳輸線(xiàn)的等效電阻、電感和電容增大，傳輸線(xiàn)效應(yīng)明顯加強(qiáng)，波形出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。因此在高頻PCB布線(xiàn)時(shí)除了要接匹配電阻外，還應(yīng)盡量縮短傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度，保持信號(hào)完整性。

    在實(shí)際的PCB布線(xiàn)時(shí)，如果由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需要，不能縮短信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)采用差分信號(hào)傳輸。差分信號(hào)有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，能大大延長(zhǎng)傳輸距離。差分信號(hào)有很多種，如ECL、PECL、LVDS等，表1列出LVDS相對(duì)于ECL、PECL系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。LVDS的恒流源模式低擺幅輸出使得LVDS能高速驅(qū)動(dòng)，對(duì)于點(diǎn)到的連接，傳輸速率可達(dá)800Mbps，同時(shí)LVDS低噪聲、低功耗，連接方便，實(shí)際中使用較多。LVDS的驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)通常為3.5mA的恒流源驅(qū)動(dòng)對(duì)差分信號(hào)線(xiàn)組成。接收端有一個(gè)高的直流輸入阻抗，幾科全部的驅(qū)動(dòng)電流流經(jīng)10Ω的終端電阻，在接收器輸入端產(chǎn)生約350mV電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)反轉(zhuǎn)時(shí)，流經(jīng)電阻的電流方向改變，此時(shí)在接收端產(chǎn)生有效的邏輯狀態(tài)。圖5是利用LVDS芯片DS90LV031、DS90LV032把信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸?shù)牟ㄐ螆D。在仿真時(shí)設(shè)置仿真頻率為66MHz理想方波，傳輸距離為508mm，差分對(duì)終端接100Ω負(fù)載匹配傳輸線(xiàn)的差分阻抗。從仿真結(jié)果看，LVDS接收端的波形除了有延遲外，波形保持完好。 

     
    表1　LVDS、ECL、PECL邏輯標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表 

     
   
    圖5　LVDS電路仿真結(jié)果

    串?dāng)_分析

    由于頻率的提高，傳輸線(xiàn)之間的串?dāng)_明顯增大，對(duì)信號(hào)完整性也有很大的影響，可以通過(guò)仿真來(lái)預(yù)測(cè)、模擬，并采取措施加以改善。以CMOS信號(hào)為例建立仿真模型，如圖6所示。在仿真時(shí)設(shè)置干擾信號(hào)的頻率為66MHz的方波，被干擾者設(shè)置為零電平輸入，通過(guò)調(diào)整兩根線(xiàn)的間距和兩線(xiàn)之間平行走線(xiàn)的長(zhǎng)度來(lái)觀察被干擾者接收端的波形。仿真結(jié)果如圖7，分別為間距是203.2mm、406。4mm時(shí)的波形。 

     
    圖6　串?dāng)_模型 

     
    圖7　不同間距的串?dāng)_仿真結(jié)果

    從仿真結(jié)果看出，兩線(xiàn)間距為406.4mm時(shí)，串?dāng)_電平為200mV左右，203.2mm時(shí)為500mV左右?？梢?jiàn)兩線(xiàn)之間的間距越小串?dāng)_越大，所以在實(shí)際高速PCB布線(xiàn)時(shí)應(yīng)盡量拉大傳輸線(xiàn)間距或在兩線(xiàn)之間加地線(xiàn)來(lái)隔離。

    結(jié)束語(yǔ)

    在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，不用仿真而只憑傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法或經(jīng)驗(yàn)很難預(yù)測(cè)和保證信號(hào)完整性，仿真已成為高速信號(hào)設(shè)計(jì)的必要手段，利用仿真可以預(yù)測(cè)信號(hào)的傳輸情況，從而提高系統(tǒng)的可靠性。