基于i.mx51的信号完整性分析与仿真

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1、基于i.MX51的信号完整性分析与仿真　　摘要由于集成芯片速度越来越高，信号完整性问题现已成为高速电路设计中不得不考虑的问题。本文先介绍了传输线、特征阻抗及信号完整性问题的概念，着重分析了信号完整性问题中常见的反射、串扰等现象的原理，并指出减小这些问题解决办法。最后以基于Freescalei.MX51的核心板为例，利用SpecctraQuest/SigXplorer软件和IBIS模型对板子设计过程中出现的反射、串扰等信号完整性问题进行仿真分析，验证解决方法的正确性。结果表明采用信号完整性分析的设计具有明显优势。　　【关键词】信号完整性传输线反射串扰仿真　　

2、随着材料、制作工艺等技术的飞速发展，应用处理器的运行速度越来越高，信号上升时间也是越来越快，这导致传输线的一些特性对电路的影响越来越突出，引发了反射、串扰、同步切换噪声、延迟等信号完整性问题。确保信号完整成为高速电路设计成功的关键，因此对高速电路进行有效的、准确的信号完整性分析与仿真变得至关重要。　　1信号完整性问题及解决措施　　1.1信号完整性概述　　反射和串扰是引起信号完整性问题主要的两个方面，而它们都与传输线的特征阻抗密切相关，下面先从传输线概念及其特征阻抗展开讨论。　　1.2传输线及其特征阻抗　　传输线是指电路中具有一定长度并组成电路回路的两个导体

3、连接线，这两个导体，一个用来发送信号，另一个用来接收信号，或称为信号返回路径。　　传输线的特征阻抗可通过下式（1）计算：　　因为电容和电导的阻抗很大，式中电流I可以忽略不计，所以式（1）可以简化为：　　（2）　　如果频率比较低，可以省去上式虚部，那么特征阻抗可简化为：　　（3）　　如果频率比较高，可以省去式（2）中的实部，则特征阻抗简化为：　　（4）　　所以从式（3）和（4）可以看出特征阻抗如果在频率很低的情况下，就相当于导体的电阻，频率很高的情况下要考虑导体的电感和电容，所以这是为什么我们一般在高速电路中才会去考虑阻抗匹配的问题，在高速电路中阻抗的作用才

4、会特别突出的表现出来，由上面分析可知，特征阻抗与信号工作频率、传输线上电阻、电感、电容、电导等参数有关，而与信号大小和传输线长度无关。传输线的重点之处是于在整个线路中要保持其特征阻抗连续或为一恒定值，这样的传输线才符合高速电路的要求。　　在PCB中，常见的传输线有两种：一种是微带线，另一种是带状线。微带线和带状线的特征阻抗分别可用式（5）和式（6）计算：　　（5）　　（6）　　其中，w代表传输信号导体的宽度，t代表传输信号导体的厚度，h传输信号导体与信号返回路径之间绝缘介质材料的厚度，εr表示该材料的介电常数。　　2信号完整性问题及其分类　　信号完整性表现

5、为电路中实际测得的信号波形与想象中的波形不一样，存在一些差异或失真，具体是指信号从驱动端出发沿着传输线传输到达接收端后其波形的完整程度。如果信号到达接收端后其波形在大小幅度上，在时序上，在保持时间上都符合要求，那就说明信号比较完整，反过来就说明电路可能存在信号完整性问题。信号完整性的主要问题表现在反射、串扰、同步切换噪声、延迟等几个方面，下面重点介绍反射和串扰。　　2.1反射（Reflection）　　反射是指信号在传输线上传输时，当遇到的传输线特征阻抗有变化，比如：不连续，或者其与信号的源端阻抗、负载阻抗不匹配，信号就会在这个变化节点处产生反弹现象，从而

6、导致信号波形变形，超过或达不到标准电平的情况发生，这一情况包括：过冲、下冲及振铃等现象。这种情况发生以后很容易造成器件的损坏，降低信号的噪声容限，增加了信号的稳定时间，影响系统时序。　　为更好的说明反射原理，在传输线模型中加入信号源和负载，如图1所示，信号源自身含有内阻R0，传输线L的特征阻抗用Z0表示，RL代表负载，A点是传输线的源端，B点是传输线的负载端，VA是源端电压，VB是负载端电压。　　如图1所示，如果RL≠Z0，即负载阻抗与传输线特征阻抗不相等时，那么信号在B点将会产生反射现象，这里用ρL表示反射的程度，它是反射电压与入射电压的比值，见下式（7

7、）：　　（7）　　很明显，-1≤ρL≤+1。如果负载RL等于传输线特征阻抗Z0，那么ρL=0，这就表示没有反射现象产生。如果负载RL小于传输线特征阻抗Z0，那么ρL0，反射形成的反弹回波方向与源信号方向相同，也就是源信号中的一部分能量不能完全被传递或吸收，会反弹回源端，信号的幅度比源信号的大，出现过冲现象。　　2.2串扰（CrossTalk）　　串扰是指信号在传输线上传播时，因由电磁耦合对临近传输线产生的不期望的电压噪声干扰。理论上，一个电路板中的任意两条线之间在有信号传输的情况下都会有这种串扰发生，但实际上还要看两者的距离以及相互位置关系，距离越远，串扰

8、越小，一般重点考察相邻的信号线。两条相邻信号线，一条是信号源驱动线