基于信號完整性分析的高速PCB設(shè)計

引言
    信號完整性是指電路系統(tǒng)中信號的質(zhì)量。如果在要求的時間內(nèi)，信號能夠不失真地從源端傳送到接收端，就稱該信號是完整的。隨著半導(dǎo)體工藝的迅猛發(fā)展、IC開關(guān)輸出速度的提高，信號完整性問題(包括信號過沖與下沖、振鈴、反射、串?dāng)_、地彈等)已成為高速PCB設(shè)計必須關(guān)注的問題之一。通常，數(shù)字邏輯電路的頻率達(dá)到或超過50 MHz，而且工作在這個頻率上的電路占整個系統(tǒng)的1／3以上，就可以稱其為高速電路。實際上，與信號本身的頻率相比，信號邊沿的諧波頻率更高，信號快速變化的跳變(上升沿與下降沿)引發(fā)了信號傳輸?shù)姆穷A(yù)期效果。這也是信號完整性問題的根源所在。因此，如何在高速PCB設(shè)計過程中充分考慮信號完整性因素，并采取有效的控制措施，提高電路設(shè)計質(zhì)量，是必須考慮的問題。
    借助功能強(qiáng)大的Cadence公司SPEECTRAQuest仿真軟件，利用IBIS模型，對高速信號進(jìn)行信號完整性仿真分析是一種高效可行的分析方法，可以發(fā)現(xiàn)信號完整性問題，根據(jù)仿真結(jié)果在信號完整性相關(guān)問題上做出優(yōu)化的設(shè)計，從而達(dá)到提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期的目的。

1 應(yīng)用設(shè)計實例
    本文設(shè)計的控制單元在整個系統(tǒng)中的功能是將地面接收裝置接收到的編碼信號傳回給主站數(shù)據(jù)處理中心。具體工作過程是，首先存儲上位機(jī)數(shù)據(jù)，然后通過誤碼率測試與計算，選擇一條誤碼率最低的路徑作為數(shù)據(jù)傳輸路徑，最后將存儲的上位機(jī)數(shù)據(jù)通過該路徑傳輸?shù)街髡緮?shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理。經(jīng)過綜合考慮，選用了Altera公司的Cyclone II-2C8作為核心芯片，以及外部擴(kuò)展的SDRAM、Flash、各種輸入／輸出電路和MAX232接口芯片等，并結(jié)合Nios II軟核處理器開發(fā)套件實現(xiàn)。該控制單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    CycloneII-2C8的時鐘頻率高達(dá)150 MHz以上，由于FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)比較小，所以用SDRAM擴(kuò)展了外部數(shù)據(jù)存儲空間。SDRAM采用了Hy-nix公司的HY57V651610／SO，時鐘頻率達(dá)到75 MHz以上。因此，必須考慮由于信號頻率過高引起的信號完整性問題。選擇了功能強(qiáng)大的Cad-ence設(shè)計軟件，它將原理圖設(shè)計、PCB Layout、高速仿真分析集于一體，可以解決在設(shè)計的各個環(huán)節(jié)中所存在的與電氣性能相關(guān)的問題，大大提高了設(shè)計的成功率。

2 關(guān)鍵信號拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和仿真
    此系統(tǒng)中頻率較高的部分為FPGA和SDRAM，F(xiàn)PGA的時鐘頻率可達(dá)150 MHz以上，SDRAM可達(dá)75MHz以上。因為FPGA的內(nèi)部高頻對其他器件沒有影響，而FPGA與SDRAM之間的連接為無縫連接，信號完整性的好壞直接影響著FPGA能否對SDRAM進(jìn)行正確的讀和寫。PCB設(shè)計中，采用Caden-ce軟件的高速仿真工具SPECCTRAQuest，并利用器件的IBIS模型來分析信號完整性，對阻抗匹配以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以保證系統(tǒng)正常工作。本文只對信號反射和串?dāng)_進(jìn)行詳細(xì)的講解，其他仿真與此類似。
2．1 反射
    發(fā)射端為HY57V561620的44引腳，接收端為Cyclone II的60引腳，激勵為66 MHz的方波。圖2為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖3為仿真波形。

    由仿真波形可以看出，由信號反射引起了波形畸變，產(chǎn)生了明顯的振鈴現(xiàn)象。振鈴現(xiàn)象的存在，使信號多次跨越電平邏輯門限從而導(dǎo)致邏輯功能紊亂。減小振鈴噪聲的一種有效手段是在電路中串聯(lián)一個小電阻，該電阻為電路提供了阻尼，能顯著減小振鈴幅度，縮短振鈴震蕩時間，同時幾乎不影響電路速度。在工程使用上，該電阻通常為33 Ω。串聯(lián)電阻后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和仿真波形如圖4和圖5所示。[!--empirenews.page--]

    串聯(lián)電阻后振鈴現(xiàn)象得到了很好的解決，實際上這個解決方法叫阻抗匹配，阻抗在信號完整性問題中占據(jù)著極其重要的地位。
2．2 串?dāng)_
    提取SD_DQlO(連接Cyclone II的59引腳和HY57V561620的45引腳)，SD_DQll(連接Cyclone II的58引腳和HY57V561620的47引腳)，SD_DQ-l2(連接CycloneII的57引腳和HY57V561620的48引腳)這三個網(wǎng)絡(luò)來做它們之間的串?dāng)_仿真。其中，SD_DQll作為被攻擊網(wǎng)絡(luò)，SD_DQlO和SD_D-Ql2作為攻擊網(wǎng)絡(luò)。它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和仿真波形如圖6、圖7所示(傳輸線的并行耦合長度L=1000 mil，間距P=5 mil)。

    仿真波形如圖8所示。由圖7可以看出串?dāng)_對于被攻擊網(wǎng)絡(luò)的影響還是很大的，串?dāng)_值Crosstalk=657．95 mV串?dāng)_的大小與傳輸線的并行耦合長度L和間距P有關(guān)，耦合長度越短，間距越大，串?dāng)_就越小。仿真結(jié)果如表1所列。

    因此，制作PCB時，在允許的情況下要盡可能減小不同性質(zhì)信號線之間的并行長度，加寬它們之間的間距，改變某些線的線寬和高度。當(dāng)然，影響串?dāng)_的因素還有許多，比如電流流向、干擾源信號頻率上升時間等，應(yīng)綜合考慮。

結(jié)語
    在本次控制單元高速PCB設(shè)計中，運(yùn)用功能強(qiáng)大的Cadence軟件，從制作原理圖、PCB布局到高速仿真分析，取得了較好的效果。依據(jù)SPEECTRAQuest仿真分析所得到的合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和布局布線，使電路板工作正常。這種設(shè)計方式大大縮短了硬件調(diào)試時間，提高了工作效率，節(jié)約了設(shè)計成本。