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的長度、電阻匹配及電磁干擾、串?dāng)_等。

 

設(shè)計(jì)過程中要保持信號(hào)的完整性必須借助一些仿真工具，仿真結(jié)果對(duì) PCB 布線產(chǎn)生指導(dǎo)性意見，布線完成后再提取網(wǎng)絡(luò)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行布線后仿真，仿真沒有問題后才能送出加工。目前這樣的仿真工具主要有 cadence、ICX、Hyperlynx 等。Hyperlynx 是個(gè)簡單好用的工具，軟件中包含兩個(gè)工具 LineSim 和 BoardSim。LineSim 用在布線設(shè)計(jì)前約束布線和各層的參數(shù)、設(shè)置時(shí)鐘的布線拓?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)_等問題。BoardSim 用于布線以后快速地分析設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性、電磁兼容性和串?dāng)_問題，生成串?dāng)_強(qiáng)度報(bào)告，區(qū)分并解決串?dāng)_問題。作者使用 LineSim 工具，對(duì)信號(hào)的阻抗匹配、傳輸線的長度、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，傳輸線為帶狀線，設(shè)置線寬 0.2mm 和介電常數(shù)為 4.5(常用的 FR4 材料)，使傳輸線的阻抗為 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。

 

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

 

傳輸線長度的影響

 

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)傳輸線的長度有著嚴(yán)格的要求，信號(hào)頻率越高，要求傳輸線的長度越短。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，改變傳輸線長度分別為 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　不同長度傳輸線仿真結(jié)果

 

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

 

在實(shí)際的 PCB 布線時(shí)，如果由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需要，不能縮短信號(hào)線長度時(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，可以通過仿真來預(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，通過調(diào)整兩根線的間距和兩線之間平行走線的長度來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，兩線間距為 406.4mm 時(shí)，串?dāng)_電平為 200mV 左右，203.2mm 時(shí)為 500mV 左右。可見兩線之間的間距越小串?dāng)_越大，所以在實(shí)際高速 PCB 布線時(shí)應(yīng)盡量拉大傳輸線間距或在兩線之間加地線來隔離。

 

結(jié)束語

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。