如何对高速数字系统进行仿真设计

　　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
　　从图中看出，信号线加长后，由于传输线的等效电阻、电感和电容增大，传输线效应明显加强，波形出现振荡现象。因此在高频PCB 布线时除了要接匹配电阻外，还应尽量缩短传输线的长度，保持信号完整性。
　　在实际的 PCB布线时，如果由于产品结构的需要，不能缩短信号线长度时，应采用差分信号传输。差分信号有很强的抗共模干扰能力，能大大延长传输距离。差分信号有很多种，如 ECL、PECL、LVDS 等，表 1 列出 LVDS 相对于 ECL、PECL 系统的主要特点。LVDS 的恒流源模式低摆幅输出使得 LVDS 能高速驱动，对于点到的连接，传输速率可达 800Mbps，同时 LVDS 低噪声、低功耗，连接方便，实际中使用较多。LVDS 的驱动器由一个通常为 3.5mA 的恒流源驱动对差分信号线组成。接收端有一个高的直流输入阻抗，几科全部的驱动电流流经 10Ω的终端电阻，在接收器输入端产生约 350mV 电压。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，此时在接收端产生有效的逻辑状态。图 5 是利用 LVDS 芯片 DS90LV031、DS90LV032 把信号转换成差分信号，进行长距离传输的波形图。在仿真时设置仿真频率为 66MHz 理想方波，传输距离为 508mm，差分对终端接 100Ω负载匹配传输线的差分阻抗。从仿真结果看，LVDS 接收端的波形除了有延迟外，波形保持完好。
　　表 1　LVDS、ECL、PECL 逻辑标准对照表
　　
　　
　　图 5　LVDS 电路仿真结果
　　串扰分析
　　由于频率的提高，传输线之间的串扰明显增大，对信号完整性也有很大的影响，可以通过仿真来预测、模拟，并采取措施加以改善。以 CMOS 信号为例建立仿真模型，如图 6 所示。在仿真时设置干扰信号的频率为 66MHz 的方波，***扰者设置为零电平输入，通过调整两根线的间距和两线之间平行走线的长度来观察***扰者接收端的波形。仿真结果如图 7，分别为间距是 203.2mm、406。4mm 时的波形。
　　
　　图 6　串扰模型
　　
　　图 7　不同间距的串扰仿真结果
　　从仿真结果看出，两线间距为 406.4mm 时，串扰电平为 200mV 左右，203.2mm 时为 500mV 左右。可见两线之间的间距越小串扰越大，所以在实际高速 PCB 布线时应尽量拉大传输线间距或在两线之间加地线来隔离。
　　结束语
　　在高速数字电路设计中，不用仿真而只凭传统的设计方法或经验很难预测和保证信号完整性，仿真已成为高速信号设计的必要手段，利用仿真可以预测信号的传输情况，从而提高系统的可靠性。