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功率设计

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高速数字电路的设计与仿真

导读: 高速数字系统设计成功的关键在于保持信号的完整,而影响信号完整性(即信号质量)的因素主要有传输线的长度、电阻匹配及电磁干扰、串扰等。

  高速数字系统设计成功的关键在于保持信号的完整,而影响信号完整性(即信号质量)的因素主要有传输线的长度、电阻匹配及电磁干扰、串扰等。

  设计过程中要保持信号的完整性必须借助一些仿真工具,仿真结果对PCB布线产生指导性意见,布线完成后再提取网络,对信号进行布线后仿真,仿真没有问题后才能送出加工。目前这样的仿真工具主要有cadence、ICX、Hyperlynx等。Hyperlynx是个简单好用的工具,软件中包含两个工具LineSim和BoardSim。LineSim用在布线设计前约束布线和各层的参数、设置时钟的布线拓扑结构、选择元器件的速率、诊断信号完整性,并尽量避免电磁辐射及串扰等问题。BoardSim用于布线以后快速地分析设计中的信号完整性、电磁兼容性和串扰问题,生成串扰强度报告,区分并解决串扰问题。作者使用LineSim工具,对信号的阻抗匹配、传输线的长度、串扰进行了仿真分析,并给出了指导性结论。

  阻抗匹配

  高速数字信号的阻抗匹配非常关键,如果匹配不好,信号会产生较大的上冲和下冲现象,如果幅度超过了数字信号的阈值,就会产生误码。阻抗匹配有串行端接和并行端接两种,由于串行端接功耗低并且端接方便,实际工作中一般采用串行端接。以下利用Hyperlynx仿真工具对端接电阻的影响进行了分析。以74系列建立仿真IBIS模型如图1所示。仿真时选择一个发送端一个接收端,传输线为带状线,设置线宽0.2mm和介电常数为4.5(常用的FR4材料),使传输线的阻抗为51.7Ω。设置信号频率为50MHz的方波,串行端接电阻Rs分别取0Ω、33Ω和100Ω的情况,进行仿真分析,仿真结果如图2所示。

  图中分别标出了匹配电阻是0Ω、33Ω、100Ω时接收端的信号波形。从波形看出,0Ω时波形有很大的上冲和下冲现象,信号最差;100Ω时信号衰减较大,方波几乎变成了正弦波;而匹配电阻是33Ω时波形较好。理想的匹配电阻值,可以利用软件的terminatorWizard工具,自动根据器件的参数模型算出最佳匹配电阻为33.6Ω,实际应用中可以选用33Ω。利用仿真和器件的IBIS模型,可以很精确地知道匹配电阻值的大小,从而使信号完整性具有可控性。

  图1 74系列仿真模型

  图2 不同串行端接电阻的仿真结果

  传输线长度的影响

  在高速数字电路的设计中,除了阻抗匹配外,部分器件对传输线的长度有着严格的要求,信号频率越高,要求传输线的长度越短。以X1器件和X2器件为例建立仿真模型如图3所示。在仿真模型中加了33Ω的匹配电阻,选择仿真信号频率为66MHz方波,改变传输线长度分别为76.2mm和254mm时进行仿真。仿真结果如图4所示。

  图3 X1、X2器件仿真模型

  图4 不同长度传输线仿真结果

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