基于HyperLynx的FPGA系統(tǒng)信號完整性仿真分析

摘要：針對目前高速電路發(fā)展帶來的信號完整性問題，在分析信號完整性要求的基礎(chǔ)上，借助HyperLynx仿真軟件，通過器件IBIS模型，對基于EP2C8和TMS320F2812組成的系統(tǒng)進(jìn)行信號完整性分析和仿真?；诜瓷湓韥斫榻B減少反射的端接方法，利用大量的板前和板后仿真對設(shè)計方案進(jìn)行反復(fù)驗證。研究結(jié)果表明，HyperLynx可以解決該系統(tǒng)信號完整性方面存在的諸多問題，仿真結(jié)果給實際工程提供了借鑒。
關(guān)鍵詞：信號完整性；可編程邏輯器件；HyperLynx；IBIS模型

0 引言
    隨著高速電路的不斷發(fā)展，時鐘頻率早已進(jìn)入吉赫茲時代，電路板尺寸的減小、設(shè)備集成度的提高，使得信號完整性問題變得越來越重要。當(dāng)時鐘頻率超過100 MHz時，如果不滿足系統(tǒng)的信號完整性要求，可能導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，同時也會帶來EMC問題。隨著FPGA和DSP處理速度的提高，帶來的信號完整性問題日益嚴(yán)重，這需要電子工程師重點考慮。
    目前，有很大一部分文章從理論上分析信號完整性，而從實際應(yīng)用方面分析的文章較少?；诖?，本文主要研究通過對EP2C8和TMS320F2 812組成的系統(tǒng)所涉及的仿真問題進(jìn)行了分析和研究，通過對關(guān)鍵信號線的仿真來分析系統(tǒng)的信號完整性。

1 HyperLynx軟件
    HyperLynx是Mentor Graphics公司推出的高速仿真工具，從內(nèi)容上可分為信號完整性仿真(SI)、電源完整性仿真(PI)和電磁兼容性仿真(EMC)；從結(jié)構(gòu)上可分為板前仿真(LineSim)和板后仿真(BoardSim)。為了保證PCB設(shè)計的成功率，在設(shè)計前遵守一些良好的設(shè)計規(guī)則很重要。HyperLynx軟件則提供了一個驗證設(shè)計方法和檢測PCB性能的環(huán)境，這將會提高工作效率。

2 面向系統(tǒng)的信號完整性仿真分析
2．1 系統(tǒng)構(gòu)成和關(guān)鍵信號
    TMS320F2812和EP2C8構(gòu)成的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

    由于系統(tǒng)信號線眾多，如果全部對它們進(jìn)行仿真，將會花費(fèi)很大的時間，只需對茨鍵信號仿真。根據(jù)器件上升沿、工作頻率、走線長度、時鐘信號等作為劃分關(guān)鍵信號的條件。明確了高速信號有TMS320F2812和EP2C8的通信端口、時鐘網(wǎng)絡(luò)、EP2C8數(shù)據(jù)接收端等。這些高速信號易受干擾同時又容易干擾其他網(wǎng)絡(luò)，需要著重考慮這些信號線的設(shè)計。通過HyperLynx的仿真可以優(yōu)化這些走線，找到合適的設(shè)計方法。
2．2 系統(tǒng)板層設(shè)計
    在對系統(tǒng)仿真前，需要確定PCB疊層數(shù)、走線特性阻抗等，這是系統(tǒng)進(jìn)行信號完整性仿真的基礎(chǔ)。對于微帶線，IPC推薦的特性阻抗近似式為：
   
    式中：h是導(dǎo)線離參考層的距離；w是導(dǎo)線寬度；t是導(dǎo)線厚度；由上式可知當(dāng)w=2h時，走線特性阻抗為50 Ω，這可以作為經(jīng)驗公式。該系統(tǒng)采用4層電路板，相對介電常數(shù)εr為4．3的FR4材料，走線特性阻抗設(shè)定為50 Ω，PCB板的厚度是1 mm，具體疊層方案如圖2所示。

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3 LineSim仿真
    LineSim可以在布局布線前對所設(shè)計的方案進(jìn)行仿真，將仿真的結(jié)果作為實際布線的約束條件，在初期預(yù)測和消除信號完整性問題。
3．1 高速信號線端接仿真
    信號反射的原因是信號沿導(dǎo)線傳播所受到的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化時，則一部分信號將被反射，另一部分發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去，這將導(dǎo)致波形的邊沿處發(fā)生振鈴現(xiàn)象。一般要求過沖幅值限定在150 mV左右，否則會造成EMC問題。典型的端接方式包括：源端串聯(lián)端接；遠(yuǎn)端并聯(lián)端接；遠(yuǎn)端戴維南端接；遠(yuǎn)端RC端接。其中源端串聯(lián)端接使用器件少并且效果好，因此該系統(tǒng)采用源端串聯(lián)端接方案。
    由于EP2C8采用20 MHz獨立的有源時鐘，因此在仿真時只需考慮EP2C8的CLK。若將有源晶振的輸出直接和EP2C8相連，則LineSim仿真的結(jié)果如圖3(a)所示，信號邊沿處有振鈴現(xiàn)象，電壓過沖幅值3．629 V，下沖值為-450．2 mV，超過了過沖幅值范圍。當(dāng)采用一個阻值為50 Ω源端串聯(lián)電阻時，SI仿真的結(jié)果如圖3(b)所示，接收端接收到的時鐘信號在跳變處無振鈴現(xiàn)象，抑制信號反射的效果很好。

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    串?dāng)_是信號完整性問題之一，它是指有害信號從一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到相鄰網(wǎng)絡(luò)。串?dāng)_可分為近端串?dāng)_(NEXT)和遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)，傳輸線的反射跟串?dāng)_也有聯(lián)系，采用合適的源端端接和遠(yuǎn)端端接可以在一定程度上減小串?dāng)_。但串?dāng)_與信號之間的容性耦合和感性耦合有關(guān)，串?dāng)_不可能完全消除，只能減小。在TMS320F2812和EP2C8之間有大量的高速數(shù)據(jù)線，如果不進(jìn)行處理則有可能接收錯誤的數(shù)據(jù)。圖4所示為用LineSim對數(shù)據(jù)線D8，D9和D10進(jìn)行SI仿真的結(jié)果，設(shè)定D9是被干擾的網(wǎng)絡(luò)，D8、D10是攻擊網(wǎng)絡(luò)，振蕩頻率為20 MHz，端接電阻為50 Ω。從圖可知D9受到的干擾較小，過沖電壓只有122 mV。如果想要進(jìn)一步減小串?dāng)_則可以減小走線寬度到8 mil，同時縮短走線耦合長度。

3．2 高速信號線時序問題
    TMS320F2812和EP2C8之間數(shù)據(jù)收發(fā)率高，因此時序就變得十分重要，如果兩信號到達(dá)接收端的時差近似于一個采集周期將導(dǎo)致接收到錯誤的數(shù)據(jù)。為了避免這種時序可題的發(fā)生，通過蛇形線來保證高速信號走線長度的一致，如圖5所示。PCB設(shè)計的工具是Altium公司的DXP 2004。

4 BoardSim仿真
    BoardSim是在PCB繪制完成后進(jìn)行的仿真，生成整版報告，驗證原有設(shè)計的合理性、修正布局布線。仿真將利用器件的IBIS模型對已經(jīng)設(shè)計好的PCB走線進(jìn)行仿真，包括信號完整性、EMC、時序等。
4．1 串?dāng)_仿真驗證
    第3．1節(jié)中已經(jīng)對D8，D9和D10進(jìn)行了串?dāng)_仿真，現(xiàn)在用BoardSim來驗證上述仿真結(jié)果?？紤]到實際電阻值沒有50 Ω，所以采用端接電阻值為51 Ω，振蕩頻率為20 MHz。圖6所示為當(dāng)D8，D10有數(shù)據(jù)通信時D9受到的干擾。由圖可知，D9處的波形抖動很小，串?dāng)_電壓過沖只有44．8 mV，下沖電壓只有-39．8 mV，基本上不會影響D9的信號，結(jié)果表明已經(jīng)通過信號完整性檢查。

4．2 端接仿真驗證
    主要驗證時鐘信號和數(shù)據(jù)線的端接方案的合理性。[!--empirenews.page--]
4．2．1 時鐘信號的端接
    時鐘信號網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為CLKIN，端接電阻阻值是51 Ω，SI仿真的結(jié)果如圖7所示，可見BoardSim仿真與在LineSim中的仿真相差無幾，滿足SI要求。

4．2．2 數(shù)據(jù)線的端接
    雖然用蛇行線可以解決信號的時序問題，但要注意的是蛇形線對信號完整性有一定影響。蛇行線的間距越小、耦合長度越長，則信號的串?dāng)_也越大，因此設(shè)計時需要注意這一點。表1是EP2C8與TMS320F2812之間的D0～D15這16根數(shù)據(jù)線長度，最短的網(wǎng)絡(luò)是D14只有2．661inch，最長的是D7有2．856 inch，長度變化控制在(2．76±0．1)inch之內(nèi)。SI仿真結(jié)果見表2。
    表2為BoardSim對數(shù)據(jù)線SI批量仿真結(jié)果。從中發(fā)現(xiàn)16根數(shù)據(jù)線的上升和下降沿的具體時延基本相當(dāng)，說明通過正確端接和等長線保證了信號接收端的質(zhì)量和時延等要求。接著對這幾根數(shù)據(jù)線進(jìn)行批量的EMC仿真，仿真設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)是FCC和CISPR，結(jié)果為Net's EMCis within selected limits，可知系統(tǒng)滿足EMC要求。

5 結(jié)語
    本文利用HyperLyn軟件和元器件的IBIS模型對TMS320F2812和EP2C8系統(tǒng)進(jìn)行了信號完整性仿真分析。通過分析可知，合適的端接電阻可以大大減小信號在導(dǎo)線上的反射和串?dāng)_。采用蛇形線的走線方案解決了高速數(shù)據(jù)線的時延問題，走線長度匹配后的數(shù)據(jù)線在上升／下降沿的具體時間基本相當(dāng)，滿足SI要求。