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?；诖耍疚闹饕芯客ㄟ^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。