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      基于有限元方法的ARM11核心板信號(hào)完整性分析

      2013-12-29 10:32:12吳明贊
      電子器件 2013年4期
      關(guān)鍵詞:特性阻抗數(shù)據(jù)線傳輸線

      沈 敏,吳明贊,李 竹

      (南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,南京210094)

      隨著微處理器內(nèi)部時(shí)鐘頻率的迅速提高、上升和下降時(shí)間的縮短,必須對(duì)其進(jìn)行信號(hào)完整性分析,否則可能導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性不高,甚至無法正常工作[1]。信號(hào)完整性問題主要包括串?dāng)_、地彈、延時(shí)、振鈴、反射等[2]。可以運(yùn)用傳輸線理論對(duì) FPGA、DSP等系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)完整性仿真分析[3-6]。文章擬用有限元方法在反射和串?dāng)_方面對(duì)ARM11核心板進(jìn)行信號(hào)完整性仿真分析。

      1 信號(hào)完整性原理概述

      核心板中ARM芯片時(shí)鐘頻率已經(jīng)達(dá)到533 MHz~667 MHz,并且與DDR RAM等芯片進(jìn)行高速信號(hào)傳輸;由于CPU和DDR RAM都是BGA封裝的芯片,在引腳扇出時(shí)就需要使用大量的過孔;另外核心板的布線密度很高。所以必須對(duì)核心板進(jìn)行信號(hào)完整性分析。ARM11核心板布線如圖1所示。

      圖1 ARM11核心板圖

      1.1 反射原理

      當(dāng)信號(hào)沿互連線傳播時(shí)所受到的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化,一部分信號(hào)將被反射,另一部分發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去[1]。反射和失真使信號(hào)質(zhì)量下降。這是單一網(wǎng)絡(luò)中多數(shù)信號(hào)完整性問題產(chǎn)生的主要原因。

      設(shè)計(jì)互連線的目的是盡量保持信號(hào)受到的阻抗恒定,因此在布線時(shí)要盡量減少拐角和使用過孔。當(dāng)傳輸線時(shí)延大于信號(hào)上升時(shí)間的20%時(shí),可以通過端接電阻來減小噪聲[7]。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常用的端接方法為源端串聯(lián)端接和遠(yuǎn)端并聯(lián)端接。源端阻抗與傳輸線特性阻抗相匹配,即源端串聯(lián)端接,這時(shí)傳輸線的電壓為驅(qū)動(dòng)電壓的一半,在負(fù)載處發(fā)生全反射時(shí),接收端的電壓正好為驅(qū)動(dòng)電壓。終端阻抗與傳輸線特性阻抗相匹配,即遠(yuǎn)端并聯(lián)端接,這時(shí)接收端的反射系數(shù)為0,接受端電壓等于驅(qū)動(dòng)電壓。

      1.2 串?dāng)_原理

      串?dāng)_是指有害信號(hào)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到相鄰網(wǎng)絡(luò)。通常把噪聲源所在的網(wǎng)絡(luò)稱為動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò),而把會(huì)有噪聲產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)稱為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)。靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中距離源端最近的一端稱為近端,而離源端最遠(yuǎn)的一端稱為遠(yuǎn)端。系統(tǒng)中兩條網(wǎng)絡(luò)之間的容性耦合和感性耦合是引起串?dāng)_的兩個(gè)重要原因。

      減小串?dāng)_的設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括:增加信號(hào)路徑之間的間距;用平面作為返回路徑;使耦合長度盡量短;在帶狀線層布線;減小信號(hào)路徑的特性阻抗;使用介電常數(shù)較低的疊層;使用兩端和整條線上有短路過孔的防護(hù)布線[8-9]。對(duì)系統(tǒng)級(jí)仿真來說,在串?dāng)_分析中只包括靜態(tài)線兩邊相鄰導(dǎo)線產(chǎn)生的噪聲就已經(jīng)足夠了,這些噪聲為緊耦合總線中串?dāng)_的95%。

      2 信號(hào)完整性仿真

      2.1 仿真軟件介紹

      Ansoft SIwave采用全波有限元算法,是一個(gè)精確的整板級(jí)電磁場全波分析工具。它可以仿真信號(hào)線與供電板間的噪聲耦合、傳輸延遲、過沖和下沖、反射和振鈴等時(shí)域效應(yīng)。提供了與當(dāng)前業(yè)界主流的PCB Layout工具之間方便快捷的接口。

      2.2 仿真模型

      在Ansoft Designer中建立反射仿真模型,如圖2所示。其中,電壓源設(shè)定的參數(shù)如下,幅值是3.3 V,上升和下降時(shí)間是0.5 ns,脈沖寬度是4.5 ns,時(shí)鐘周期是10 ns。電阻R31設(shè)定為變量,初始值取0。二端口網(wǎng)絡(luò)是信號(hào)線的SIW模型。電壓探頭Driver和Receiver分別用來測量源端電壓和接收端電壓。

      圖2 反射仿真模型

      在Ansoft Designer中建立串?dāng)_仿真模型,如圖3所示。其中,電壓源加在動(dòng)態(tài)線上,R1、R2、R3、R4值取信號(hào)線的特性阻抗,六端口網(wǎng)絡(luò)是3條相鄰信號(hào)線的SIW模型,電壓探頭Driver和Receiver分別測量動(dòng)態(tài)線的源端電壓和接收端電壓,電壓探頭near_xtlk和far_xtlk分別測量靜態(tài)線的近端串?dāng)_電壓和遠(yuǎn)端串?dāng)_電壓。

      圖3 串?dāng)_仿真模型

      3 仿真結(jié)果及分析

      3.1 仿真結(jié)果

      在反射和串?dāng)_仿真時(shí),以數(shù)據(jù)線XM1_DATA30為例進(jìn)行闡述。分別對(duì)調(diào)整前后布線進(jìn)行仿真,調(diào)整如表1所示。其中,信號(hào)線的線寬為6 mil。

      表1 反射和串?dāng)_調(diào)整情況

      圖4 調(diào)整前反射模型仿真波形圖

      反射仿真時(shí),網(wǎng)絡(luò)XM1_DATA30兩端分別接的是CPU和DDR RAM,首先在Ansoft SIwave中對(duì)該數(shù)據(jù)線進(jìn)行S參數(shù)抽取,并在Ansoft Designer中添加其SIwave模型。調(diào)整前網(wǎng)絡(luò)SD0_CLK的反射模型仿真波形如圖4所示。由于網(wǎng)絡(luò)SD0_CLK的特性阻抗約為50 Ω,調(diào)整時(shí)在源端串聯(lián)50 Ω的電阻,對(duì)串聯(lián)電阻后的數(shù)據(jù)線XM1_DATA30重新建立SI-wave模型,調(diào)整后網(wǎng)絡(luò)SD0_CLK的反射模型仿真波形如圖5所示。

      圖5 調(diào)整后反射模型仿真波形圖

      對(duì)網(wǎng)絡(luò)XM1_DATA30源端串聯(lián)的電阻值進(jìn)行優(yōu)化,反射仿真模型中的電阻R31的參數(shù)re在0至10 Ω間取值,步進(jìn)為2 Ω,然后在Ansoft Designer中優(yōu)化參數(shù)re,發(fā)現(xiàn)將端接電阻設(shè)置為58 Ω時(shí)效果最好。

      串?dāng)_仿真時(shí),以數(shù)據(jù)線XM1_DATA30作為靜態(tài)線,以相鄰數(shù)據(jù)線XM1_DATA24和XM1_DATA26作為動(dòng)態(tài)線,這3條數(shù)據(jù)線兩端都分別接CPU和DDR RAM,首先在Ansoft SIwave中分別對(duì)調(diào)整前后的3條數(shù)據(jù)線進(jìn)行S參數(shù)抽取,并在Ansoft Designer中添加其SIwave模型。對(duì)調(diào)整前網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí),取R1~R4為71 Ω,調(diào)整前串?dāng)_模型仿真波形如圖6所示。對(duì)調(diào)整后網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí),取R1~R4為52 Ω,調(diào)整后串?dāng)_模型仿真波形如圖7所示。

      圖6 調(diào)整前串?dāng)_模型仿真波形圖

      圖7 調(diào)整后串?dāng)_模型仿真波形圖

      3.2 仿真結(jié)果比較分析

      由于文章篇幅有限,文中僅列出少量的仿真結(jié)果進(jìn)行比較,其他未列出仿真結(jié)果也是如此的,下面將3.1中的圖4、5、6、7的反射和串?dāng)_仿真結(jié)果進(jìn)行比較,如表2所示。

      表2 反射和串?dāng)_仿真結(jié)果比較

      分析反射參數(shù),網(wǎng)絡(luò)SD0_CLK的傳輸線時(shí)延大于信號(hào)上升時(shí)間的20%(0.1 ns),調(diào)整前網(wǎng)絡(luò)SD0_CLK的仿真結(jié)果中振鈴比較嚴(yán)重,過沖和下沖幅值達(dá)到驅(qū)動(dòng)電壓的27%,不符合要求。經(jīng)過源端串聯(lián)電阻后,振鈴噪聲就不是很大,接收端電壓的過沖和下沖幅值都下降到驅(qū)動(dòng)電壓的2.7%,被控制在驅(qū)動(dòng)電壓的10%(330 mV)以內(nèi),因此,反射噪聲得到了有效控制。

      分析串?dāng)_參數(shù),網(wǎng)絡(luò)XM1_DATA30在調(diào)整前近端串?dāng)_電壓和遠(yuǎn)端串?dāng)_電壓達(dá)到驅(qū)動(dòng)電壓的14%,不符合要求。把傳輸線的特性阻抗和耦合長度減小,將線間距擴(kuò)大到3倍的線寬后,近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_電壓為驅(qū)動(dòng)電壓的2.4%,被控制在驅(qū)動(dòng)電壓的5%(165 mV)以內(nèi),因此,串?dāng)_噪聲得到有效控制。

      4 結(jié)束語

      文章運(yùn)用有限元方法對(duì)ARM11核心板的信號(hào)完整性問題進(jìn)行仿真和分析,主要從反射和串?dāng)_兩方面入手。為了削弱反射噪聲對(duì)接收端電壓的影響,減小傳輸線的長度,減少拐角和通孔的個(gè)數(shù),并且在源端串聯(lián)電阻,最終使得反射噪聲符合要求。為了削弱臨近傳輸線對(duì)本線路近端和遠(yuǎn)端串?dāng)_的影響,減小特性阻抗,減小耦合長度,把線間距擴(kuò)大到線寬的3倍,最終使得串?dāng)_噪聲符合要求。所以,建立的有限元模型比較正確。而且用該模型對(duì)高速電路板信號(hào)完整性仿真所得的結(jié)果與理論一致。

      文章的不足之處在于仿真時(shí)沒有考慮驅(qū)動(dòng)和負(fù)載阻抗的影響,仿真模型還需進(jìn)一步改善;此外,還需要對(duì)延時(shí)和地彈等信號(hào)完整性問題作進(jìn)一步的研究分析。

      [1]Eric Bogatin著.信號(hào)完整性分析[M].李玉山,李麗平,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

      [2]Bogatin E.Essential Principles of Signal Integrity[J].Microwave Magazine,2011,12(5):34-41.

      [3]李聰,張國賀,陳寶國.基于HyperLynx的DSP系統(tǒng)信號(hào)完整性仿真與改進(jìn)[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2011(4):110-116.

      [4]Piccoli L B,Vargas F L.Signal Integrity Enhancement in Digital Circuits[J].Design and Test of Computers,2010,25(5):452-461.

      [5]Jun Fan,Xiaoning Ye,Jingook Kim.Signal integrity Design for Hign-Speed Digital Circuits:Progress and Directions[J].Electronmagnetec Compatibility,2010,52(2):392-440.

      [6]吳超,吳明贊,李竹.基于Hyperlynx的變電站狀態(tài)監(jiān)測無線節(jié)點(diǎn)信號(hào)完整性仿真分析[J].電子器件,2012,35(2):173-176.

      [7]白紅蕊,馬秀榮,白媛.高速采集系統(tǒng)的時(shí)鐘端接設(shè)計(jì)與仿真[J].電子器件,2012,35(2):158-162.

      [8]郭桂林,李文鈞.RFID系統(tǒng)的串?dāng)_分析及消除[J].電子器件,2012,35(1):99-102.

      [9]曾愛鳳,王海鵬.板級(jí)互連線的串?dāng)_規(guī)律研究與仿真[J].電子測量技術(shù),2010,33(8):9-12.

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