高速数字系统设计成功的关键在于保持信号的完整，而影响信号完整性（即信号质量）的因素主要有传输线的长度、电阻匹配及电磁干扰、串扰等。设计过程中要保持信号的完整性必须借助一些仿真工具，仿真结果对PCB布线产生指导性意见，布线完成后再提取网络，对信号进行布线后仿真，仿真没有问题后才能送出加工。目前这样的仿真工具主要有cadence、ICX、Hyperlynx等。Hyperlynx是个简单好用的工具，软件中包含两个工具LineSim和BoardSim。LineSim用在布线设计前约束布线和各层的参数、设置时钟的布线拓扑结构、选择元器件的速率、诊断信号完整性，并尽量避免电磁辐射及串扰等问题。BoardSim用于布线以后快速地分析设计中的信号完整性、电磁兼容性和串扰问题，生成串扰强度报告，区分并解决串扰问题。作者使用LineSim工具，对信号的阻抗匹配、传输线的长度、串扰进行了仿真分析，并给出了指导性结论。
阻抗匹配
高速数字信号的阻抗匹配非常关键，如果匹配不好，信号会产生较大的上冲和下冲现象，如果幅度超过了数字信号的阈值，就会产生误码。阻抗匹配有串行端接和并行端接两种，由于串行端接功耗低并且端接方便，实际工作中一般采用串行端接。以下利用Hyperlynx仿真工具对端接电阻的影响进行了分析。以74系列建立仿真IBIS模型如图1所示。仿真时选择一个发送端一个接收端，传输线为带状线，设置线宽0.2mm和介电常数为4.5（常用的FR4材料），使传输线的阻抗为51.7Ω。设置信号频率为50MHz的方波，串行端接电阻Rs分别取0Ω、33Ω和100Ω的情况，进行仿真分析，仿真结果如图2所示。
图中分别标出了匹配电阻是0Ω、33Ω、100Ω时接收端的信号波形。从波形看出，0Ω时波形有很大的上冲和下冲现象，信号最差；100Ω时信号衰减较大，方波几乎变成了正弦波；而匹配电阻是33Ω时波形较好。理想的匹配电阻值，可以利用软件的terminatorWizard工具，自动根据器件的参数模型算出最佳匹配电阻为33.6Ω，实际应用中可以选用33Ω。利用仿真和器件的IBIS模型，可以很精确地知道匹配电阻值的大小，从而使信号完整性具有可控性。
图1 74系列仿真模型
图2 不同串行端接电阻的仿真结果
传输线长度的影响
在高速数字电路的设计中，除了阻抗匹配外，部分器件对传输线的长度有着严格的要求，信号频率越高，要求传输线的长度越短。以X1器件和X2器件为例建立仿真模型如图3所示。在仿真模型中加了33Ω的匹配电阻，选择仿真信号频率为66MHz方波，改变传输线长度分别为76.2mm和254mm时进行仿真。仿真结果如图4所示。
图3 X1、X2器件仿真模型
图4 不同长度传输线仿真结果
从图中看出，信号线加长后，由于传输线的等效电阻、电感和电容增大，传输线效应明显加强，波形出现振荡现象。因此在高频PCB布线时除了要接匹配电阻外，还应尽量缩短传输线的长度，保持信号完整性。
在实际的PCB布线时，如果由于产品结构的需要，不能缩短信号线长度时，应采用差分信号传输。差分信号有很强的抗共模干扰能力，能大大延长传输距离。差分信号有很多种，如ECL、PECL、LVDS等，表1列出LVDS相对于ECL、PECL系统的主要特点。LVDS的恒流源模式低摆幅输出使得LVDS能高速驱动，对于点到的连接，传输速率可达800Mbps，同时LVDS低噪声、低功耗，连接方便，实际中使用较多。LVDS的驱动器由一个通常为3.5mA的恒流源驱动对差分信号线组成。接收端有一个高的直流输入阻抗，几科全部的驱动电流流经10Ω的终端电阻，在接收器输入端产生约350mV电压。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，此时在接收端产生有效的逻辑状态。图5是利用LVDS芯片DS90LV031、DS90LV032把信号转换成差分信号，进行长距离传输的波形图。在仿真时设置仿真频率为66MHz理想方波，传输距离为508mm，差分对终端接100Ω负载匹配传输线的差分阻抗。从仿真结果看，LVDS接收端的波形除了有延迟外，波形保持完好。
表1 LVDS、ECL、PECL逻辑标准对照表
图5 LVDS电路仿真结果
串扰分析
由于频率的提高，传输线之间的串扰明显增大，对信号完整性也有很大的影响，可以通过仿真来预测、模拟，并采取措施加以改善。以CMOS信号为例建立仿真模型，如图6所示。在仿真时设置干扰信号的频率为66MHz的方波，***扰者设置为零电平输入，通过调整两根线的间距和两线之间平行走线的长度来观察***扰者接收端的波形。仿真结果如图7，分别为间距是203.2mm、406。4mm时的波形。
图6 串扰模型
图7 不同间距的串扰仿真结果
从仿真结果看出，两线间距为406.4mm时，串扰电平为200mV左右，203.2mm时为500mV左右。可见两线之间的间距越小串扰越大，所以在实际高速PCB布线时应尽量拉大传输线间距或在两线之间加地线来隔离。
结束语
在高速数字电路设计中，不用仿真而只凭传统的设计方法或经验很难预测和保证信号完整性，仿真已成为高速信号设计的必要手段，利用仿真可以预测信号的传输情况，从而提高系统的可靠性。
高速数字系统设计成功的关键在于保持信号的完整，而影响信号完整性（即信号质量）的因素主要有传输线的长度、电阻匹配及电磁干扰、串扰等。设计过程中要保持信号的完整性必须借助一些仿真工具，仿真结果对PCB布线产生指导性意见，布线完成后再提取网络，对信号进行布线后仿真，仿真没有问题后才能送出加工。目前这样的仿真工具主要有cadence、ICX、Hyperlynx等。Hyperlynx是个简单好用的工具，软件中包含两个工具LineSim和BoardSim。LineSim用在布线设计前约束布线和各层的参数、设置时钟的布线拓扑结构、选择元器件的速率、诊断信号完整性，并尽量避免电磁辐射及串扰等问题。BoardSim用于布线以后快速地分析设计中的信号完整性、电磁兼容性和串扰问题，生成串扰强度报告，区分并解决串扰问题。作者使用LineSim工具，对信号的阻抗匹配、传输线的长度、串扰进行了仿真分析，并给出了指导性结论。
阻抗匹配
高速数字信号的阻抗匹配非常关键，如果匹配不好，信号会产生较大的上冲和下冲现象，如果幅度超过了数字信号的阈值，就会产生误码。阻抗匹配有串行端接和并行端接两种，由于串行端接功耗低并且端接方便，实际工作中一般采用串行端接。以下利用Hyperlynx仿真工具对端接电阻的影响进行了分析。以74系列建立仿真IBIS模型如图1所示。仿真时选择一个发送端一个接收端，传输线为带状线，设置线宽0.2mm和介电常数为4.5（常用的FR4材料），使传输线的阻抗为51.7Ω。设置信号频率为50MHz的方波，串行端接电阻Rs分别取0Ω、33Ω和100Ω的情况，进行仿真分析，仿真结果如图2所示。
图中分别标出了匹配电阻是0Ω、33Ω、100Ω时接收端的信号波形。从波形看出，0Ω时波形有很大的上冲和下冲现象，信号最差；100Ω时信号衰减较大，方波几乎变成了正弦波；而匹配电阻是33Ω时波形较好。理想的匹配电阻值，可以利用软件的terminatorWizard工具，自动根据器件的参数模型算出最佳匹配电阻为33.6Ω，实际应用中可以选用33Ω。利用仿真和器件的IBIS模型，可以很精确地知道匹配电阻值的大小，从而使信号完整性具有可控性。
图1 74系列仿真模型
图2 不同串行端接电阻的仿真结果
传输线长度的影响
在高速数字电路的设计中，除了阻抗匹配外，部分器件对传输线的长度有着严格的要求，信号频率越高，要求传输线的长度越短。以X1器件和X2器件为例建立仿真模型如图3所示。在仿真模型中加了33Ω的匹配电阻，选择仿真信号频率为66MHz方波，改变传输线长度分别为76.2mm和254mm时进行仿真。仿真结果如图4所示。
图3 X1、X2器件仿真模型
图4 不同长度传输线仿真结果
从图中看出，信号线加长后，由于传输线的等效电阻、电感和电容增大，传输线效应明显加强，波形出现振荡现象。因此在高频PCB布线时除了要接匹配电阻外，还应尽量缩短传输线的长度，保持信号完整性。
在实际的PCB布线时，如果由于产品结构的需要，不能缩短信号线长度时，应采用差分信号传输。差分信号有很强的抗共模干扰能力，能大大延长传输距离。差分信号有很多种，如ECL、PECL、LVDS等，表1列出LVDS相对于ECL、PECL系统的主要特点。LVDS的恒流源模式低摆幅输出使得LVDS能高速驱动，对于点到的连接，传输速率可达800Mbps，同时LVDS低噪声、低功耗，连接方便，实际中使用较多。LVDS的驱动器由一个通常为3.5mA的恒流源驱动对差分信号线组成。接收端有一个高的直流输入阻抗，几科全部的驱动电流流经10Ω的终端电阻，在接收器输入端产生约350mV电压。当驱动状态反转时，流经电阻的电流方向改变，此时在接收端产生有效的逻辑状态。图5是利用LVDS芯片DS90LV031、DS90LV032把信号转换成差分信号，进行长距离传输的波形图。在仿真时设置仿真频率为66MHz理想方波，传输距离为508mm，差分对终端接100Ω负载匹配传输线的差分阻抗。从仿真结果看，LVDS接收端的波形除了有延迟外，波形保持完好。
表1 LVDS、ECL、PECL逻辑标准对照表
图5 LVDS电路仿真结果
串扰分析
由于频率的提高，传输线之间的串扰明显增大，对信号完整性也有很大的影响，可以通过仿真来预测、模拟，并采取措施加以改善。以CMOS信号为例建立仿真模型，如图6所示。在仿真时设置干扰信号的频率为66MHz的方波，***扰者设置为零电平输入，通过调整两根线的间距和两线之间平行走线的长度来观察***扰者接收端的波形。仿真结果如图7，分别为间距是203.2mm、406。4mm时的波形。
图6 串扰模型
图7 不同间距的串扰仿真结果
从仿真结果看出，两线间距为406.4mm时，串扰电平为200mV左右，203.2mm时为500mV左右。可见两线之间的间距越小串扰越大，所以在实际高速PCB布线时应尽量拉大传输线间距或在两线之间加地线来隔离。
结束语
在高速数字电路设计中，不用仿真而只凭传统的设计方法或经验很难预测和保证信号完整性，仿真已成为高速信号设计的必要手段，利用仿真可以预测信号的传输情况，从而提高系统的可靠性。
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