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(多图) 基于信号完整性理论的PCB仿真设计与分析研究

来源:武汉理工大学学报?? 2008年02月01日 ?? 收藏0

?????????2)芯片子电路器件模型。芯片通常都是由一些基本的元件组成,把各个基本单元元件及其连接关系以网表的形式做成子电路,供其他的电路调用,就构成了一个芯片的子电路模型。通常采用黑箱(Blackbox)法来建模,即是把器件看作黑箱,着眼于端口的工作特性,用它构成模型。

???????? IBIS仿真模型及模型结构

???????? IBIS仿真模型 IBIS(input/outputbuffer information)输入/输出缓冲器信息规范,是一个元件的标准模型信息。IBIS模型是一种基于V/I曲线的对I/O缓冲器快速准确建摸的方法,是反映芯片驱动和接收电气特性的一种国际标准,它提供一种标准的文件格式来记录如驱动器输出阻抗、上升/下降时间及输出负载等参数,非常适合做振铃 (ringing)和串扰(crosstalk)等高频效应的计算与仿真。

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sp;???? IBIS模型结构 IBIS模型是用于描述I/O缓冲信息特性的模型,一个输出输入端口的行为描述可以分解为一系列的简单的功能模块,由这些简单的功能模块就可以建立起完整的IBIS模型,即在一个缓冲单元中的基本元素,包括封装所带来的寄生参数(输入、输出或使能端)、硅片本身的寄生电容、电源或地的嵌压保护电路、门限和使能逻辑、上拉和下拉电路等。

???????? PCB仿真实例及其结果分析

???????? PCB板仿真相关参数的设置

???????? 印制电路板仿真有两种:线仿真和板级仿真。线仿真可以根据设计时对信号完整性与时序的要求,在布线前帮助设计者调整元器件布局、规划系统时钟网络以及确定关键线网的端接策略,在布线过程中跟踪设计,随时反馈布线效果。板级仿真通常在PCB设计基本完成之后进行,可以综合考虑如电气、EMC、热性能及机械性能等方面这些因素对SI的影响及这些因素之间的相互影响,从而进行真正的系统级分析与验证。在进行仿真时,首先要加载元器件的仿真模型,然后进行前仿真来确定布线过程中需要的参数设置和一些约束条件,接下来在实际布线过程中随时通过线仿真检查布线的效果,最后在布线基本完成之后进行板级仿真来检查系统工作的性能[6]。文中实例是对SFP(small form-factor pluggable optical transceiver)小型封装可热插拔式光纤收发模块进行的反射仿真分析。

???????? 仿真实例及结果分析

???????? 仿真模型的建立 在SFP光收发模块的原理图设计完成后,就要开始进行PCB板的设计。由于SFP光收发模块的工作频率设置为1.25Gbit/s,数据速率很高,而差分走线的长度很长,因此必须采用微带传输线进行阻抗匹配来减小在源端和终端的反射,从而确保信号的质量。根据原理图中MAX3748的芯片资料可知,其差分线的单端输出阻抗为50Ω,而根据SFP-MSA协议,主机板上的接口部分即RD+/-端口的差分阻抗为100Ω。根据差分线的理论,在没有耦合的情况下,两根平行的微带线传输线的差分阻抗等于单端阻抗的2倍,因此,必须采用特性阻抗为50Ω的传输线来进行匹配。提取MAX3748和接插件J1之间互连网络的拓扑如图2所示。由于J1是接插件,没有相应的IBIS模型数据可以调用,因此为了使得仿真得以进行,在J1处加载一个系统自带的差分接收端DIN1。并设置相应的工作频率。

MAX3748与J1之间互连的拓扑结构

图2 MAX3748与J1之间互连的拓扑结构

???????? 仿真结果及分析 通过仿真结果分析,信号质量达不到设计的要求,主要有以下问题:(1)上升沿及下降沿存在非线性;(2)波形存在一定的过冲和下冲; (3)边沿速率变慢。针对以上问题,通过对电路进一步的分析发现,这些现象是由于两个方面的因素引起的。1)由于SFP光收发模块主要采用差分线进行信号的传输,根据SFP-MSA协议,主机板上的差分阻抗为100Ω。而且,MAX3 748的差分输出端的阻抗为100Ω,在前仿真中,系统提取拓扑结构时,采用默认的阻抗为60Ω的微带线,造成了阻抗不匹配。2)由于在J1后面加载了系统自带的差分输入端,当其处于高阻态时,相当于终端开路的情况,存在较大的反射。

???????? 因此,为了确保信号的质量,必须进行阻抗匹配。设置差分传输线的阻抗为100Ω,根据差分微带线的理论,采用传输线计算软件可以计算出差分线的线宽为 15mil,线间距为10mil,相应的单端阻抗约为62.5Ω。由于差分线之间存在一定的耦合,将前面仿真的拓扑结构中的无损微带线换成实际的有损及耦合微带线来进行仿真分析。同时,在拓扑结构中加上50Ω的终端电阻接到3.3V电源。

???????? 修改后的拓扑结构如图3所示。

修改后的拓扑结构

图3 修改后的拓扑结构

???????? 从仿真波形及眼图分析可知,信号具有比较好的信号完整性。信号的过冲幅度约为54mV,上升沿和下降沿约为100ps左右,差分输出信号的摆幅达到850mV左右,满足信号输出的要求。


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信号完整性? PCB? 仿真?

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