基于高速嵌入式系統(tǒng)的信號完整性分析

半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，使芯片的集成規(guī)模越來越大，芯片的時鐘頻率越來越高，導(dǎo)致信號的上升/下降時間變短。當(dāng)時鐘頻率超過50 MHz時，PCB的信號走線必須以傳輸線考慮。

1 信號完整性概述

信號完整性是指信號在電路中以正確的時序和電壓做出響應(yīng)的能力。反之，如果信號在電路中不能以正確的時序和電壓電平做出響應(yīng)，就意味著出現(xiàn)了信號完整性問題。反射和串?dāng)_是導(dǎo)致信號完整性問題的比較普遍的因素[1]。

反射是傳輸線上的回波。如果傳輸線上阻抗不連續(xù)，就會引起信號的反射。反射信號分量的大小主要由反射系數(shù)決定[2]。反射系數(shù)的計算如式(1)：


其中，Z0是傳輸線的特征阻抗，Zt是導(dǎo)致不連續(xù)的阻抗。

傳輸線的特征阻抗Z0定義為傳輸線上任意點(diǎn)處電壓與電流的比值。在PCB設(shè)計中，傳輸線主要考慮微帶線和帶狀線兩種。因此，在計算特征阻抗時應(yīng)該根據(jù)相應(yīng)的傳輸線類型去近似計算[3]。微帶線的特征阻抗計算公式如式(2)：


其中，W(mm)為導(dǎo)體寬度，T(mm)為導(dǎo)體厚度，H(mm)為介電體厚度，εr為電路板材料的介電常數(shù)。

串?dāng)_是指當(dāng)信號在傳輸線上傳播時，由于電磁場的相互耦合而在相鄰信號線上產(chǎn)生的不期望噪聲電壓干擾信號，即不同傳輸線之間的能量耦合。如圖1所示。

串?dāng)_是互容Cm和互感Lm聯(lián)合作用的結(jié)果。通常定義被干擾傳輸線接近驅(qū)動器一端的串?dāng)_為近端串?dāng)_（也稱后向串?dāng)_），被干擾傳輸線遠(yuǎn)離驅(qū)動器一端的串?dāng)_為遠(yuǎn)端串?dāng)_（也稱前向串?dāng)_）[4]。

互感即感性耦合，是由已驅(qū)動的傳輸線上電流變化產(chǎn)生的磁場在沒有被驅(qū)動的傳輸線上引起感應(yīng)電壓從而導(dǎo)致的電磁干擾。互感Lm的幅值可以通過式(4)計算：

2 信號完整性的解決辦法

2.1 反射的解決措施

傳輸線上的反射會對數(shù)字系統(tǒng)的性能造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此，必須采取有效措施對反射進(jìn)行抑制。根據(jù)反射產(chǎn)生的原因，本質(zhì)上有三種辦法可以減小反射的影響：(1)降低系統(tǒng)頻率；(2)縮短PCB走線；(3)在傳輸線兩端分別端接一個與傳輸線特征阻抗相匹配的阻抗，以消除反射。相比之下，只有第三種方法是比較合理的。

采用阻抗匹配的辦法主要有兩個策略：(1)在負(fù)載端進(jìn)行匹配，即并聯(lián)端接匹配；(2)在信號源端進(jìn)行匹配，即串聯(lián)端接匹配。從系統(tǒng)設(shè)計角度看，應(yīng)優(yōu)先選擇策略(1)，因?yàn)樗谛盘柲芰糠祷卦炊酥熬拖朔瓷?，即消除一次反射，可以減小噪聲、電磁干擾（EMI）以及射頻干擾（RFI）。策略(2)實(shí)現(xiàn)比較簡單，在實(shí)踐中也得到廣泛應(yīng)用[7]。

2.2 串?dāng)_的解決措施

串?dāng)_是由多種因素綜合作用的結(jié)果。在PCB設(shè)計中完全消除串?dāng)_是不可能的，只能采取有效措施最大限度地抑制它，只要把串?dāng)_抑制在噪聲允許范圍內(nèi)既可。通過對串?dāng)_產(chǎn)生的原因分析，在PCB設(shè)計時可以采取以下措施抑制串?dāng)_：在空間足夠大的情況下，可以盡量增加布線之間的距離；盡量減少相鄰網(wǎng)絡(luò)之間布線的平行長度；相鄰兩層之間布線應(yīng)該采取垂直布線，以減少相鄰層間串?dāng)_；可以在兩線之間插入地線，或者采用布地線屏蔽關(guān)鍵的信號線[8，9]。

3 信號完整性仿真結(jié)果分析

3.1 本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用三星S3C6410處理器，主頻高達(dá)667 MHz，PCB設(shè)計采用8層結(jié)構(gòu)。主要采用兩片32 MHz的DDR SDRAM，一片128 MHz的NAND FLASH，一片32 MHz的NOR FALSH，網(wǎng)卡接口，CAMERA標(biāo)準(zhǔn)接口和其他一些外圍接口。S3C6410處理器和其他芯片都是高集成度芯片，布線寬度采用3 mil～4 mil。

3.2 仿真環(huán)境和模型

目前業(yè)界主要有三大公司的EDA工具可進(jìn)行信號完整性仿真分析，即Cadence的SpecctraQuest、Mentor公司的Hyperlynx和Ansoft公司的SIwave[10]。由于整個系統(tǒng)的PCB是利用Cadence工具進(jìn)行設(shè)計的，因此，本文選擇SpecctraQuest作為仿真分析的軟件。
用于板級仿真的器件模型主要有spice和IBIS。IBIS作為行為級模型，它的仿真精度經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證完全滿足仿真分析所需要的精度。因此，本系統(tǒng)的仿真模型采用IBIS模型。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 反射仿真分析

在本系統(tǒng)中，從S3C6410到DDR SDRAM的差分時鐘信號SCLK和SCLKN的頻率高達(dá)133 MHz，是一個十分關(guān)鍵的信號，網(wǎng)路拓?fù)淙鐖D2所示。

通過仿真分析得知，在沒有進(jìn)行阻抗匹配時，信號質(zhì)量很差。圖3顯示了差分信號波形。由圖3可以看出差分對接收端的差模信號波形嚴(yán)重失真。因此，需要進(jìn)行阻抗匹配，采用單電阻跨接匹配方式。通過考慮整個差分網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌霉?1)、(2)和(3)，最后折算匹配阻抗值大約為470 Ω。經(jīng)過單電阻跨接匹配后的差分信號波形如圖4所示。由圖4可見，經(jīng)過阻抗匹配后的差模信號具有很好的信號完整性。圖5顯示了實(shí)測的時鐘信號波形。

3.3.2 串?dāng)_仿真分析

本系統(tǒng)的視頻信號也是一個關(guān)鍵信號，對噪聲更敏感。因此，需要把視頻信號網(wǎng)絡(luò)XDACOUT_0的相鄰網(wǎng)絡(luò)(XEINT0_KPROW0_GPN0和XM0RNB)對它的串?dāng)_噪聲進(jìn)行抑制。

圖6是沒有進(jìn)行布線改善的串?dāng)_拓?fù)淠Ｐ?。通過給XEINT0_KPROW0_GPN0和XM0RNB網(wǎng)絡(luò)發(fā)高電平脈沖，監(jiān)測XDACOUT_0網(wǎng)絡(luò)的信號波形，此時XDACOUT_0網(wǎng)絡(luò)的串?dāng)_噪聲波形如圖7所示，串?dāng)_噪聲達(dá)到了219.735 mV，這是難以接受的。

因此必須采取相關(guān)串?dāng)_抑制措施來改善布線，根據(jù)板子布線空間的實(shí)際情況，通過增加XDACOUT_0與相鄰網(wǎng)絡(luò)之間的間距，減少平行走線的長度，在網(wǎng)絡(luò)XDACOUT_0和XM0RNB之間布地線進(jìn)行屏蔽。經(jīng)過以上措施進(jìn)行改善布線后，提取的拓?fù)淙鐖D8所示。改善后的串?dāng)_噪聲波形如圖9所示。由圖可知，串?dāng)_噪聲只有5.5481 mV，得到了很好的抑制，滿足了設(shè)計要求。圖10顯示了實(shí)測的視頻信號波形。

本文通過介紹信號完整性理論，對串?dāng)_和反射的成因進(jìn)行探討。利用Cadence公司的軟件SpecctraQuest，以基于ARM11架構(gòu)的S3C6410為主處理器嵌入式系統(tǒng)為載體進(jìn)行信號完整性仿真分析。解決了DDR SDRAM的差分時鐘信號的反射問題和視頻信號的串?dāng)_問題。本嵌入式系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際調(diào)試后的時鐘信號和視頻信號滿足設(shè)計要求，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。因此，在高速電路設(shè)計中，利用信號完整性理論進(jìn)行仿真分析，對于指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重要的意義。