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)計方案進行反復驗證。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，如果全部對它們進行仿真，將會花費很大的時間，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是導線離參考層的距離；w是導線寬度；t是導線厚度；由上式可知當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；遠端并聯(lián)端接；遠端戴維南端接；遠端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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    串擾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)。串擾可分為近端串擾(NEXT)和遠端串擾(FEXT)，傳輸線的反射跟串擾也有聯(lián)系，采用合適的源端端接和遠端端接可以在一定程度上減小串擾。但串擾與信號之間的容性耦合和感性耦合有關(guān)，串擾不可能完全消除，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。如果想要進一步減小串擾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，如果兩信號到達接收端的時差近似于一個采集周期將導致接收到錯誤的數(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走線進行仿真，包括信號完整性、EMC、時序等。
4．1 串擾仿真驗證
    第3．1節(jié)中已經(jīng)對D8，D9和D10進行了串擾仿真，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，串擾電壓過沖只有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，則信號的串擾也越大，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，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)線進行批量的EMC仿真，仿真設(shè)定的標準是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線上的反射和串擾。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，滿足SI要求。