（通信与信息系统专业论文）基于stratix+Ⅳ+fpga双ddr2接口的信号完整性与时序分析.pdf

硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 众所周知，在p c b 版图设计中，m c u 与d d r 2 间的走线排布是件非常困难的 事情。而在实际应用中，含有双d d r 2 的设计尤为常见。本论文既以a l t c r a 公司的 s t r a t i xwf p g a 与m i c r o n 公司的m t 4 7 h 18 m 8d d r 2 接口数据通信为研究对象， 通过分析d d r 2 接口的数字电平形态与时序，制订一个p c b 排布方案，使得c p u 与d d r 2 之间的通信更为可靠。 论文分别深入分析了所有类型d d r 2 接口的信号，包括时钟信号、地址命令信 号、写数据选通信号以及写数据信号。通过p c b 传输线的阻抗控制、传输线t 型 分枝结构的优化、驱动电流的选取以及最重要的端接或片上终结电阻，来实现数字 波形的修饰与幅度调整，从而获得最优的电平判决。另一方面，在时钟系统中由于 双d d r 2 接口的地址命令捕获与时钟信号构成源同步时钟系统，写数据捕获与写数 据选通信号也构成源同步时钟系统。但二者的区别在于，写数据捕获是在选通信号 的上下沿触发，而地址命令捕获只在时钟信号的上跳沿触发。在各自的源同步时钟 系统中，同时使建立时间裕量与保持时间裕量最大，即建立时间裕量等于保持时间 裕量。本论文通过找出系统的建立保持时间裕量与时钟线、选通线、数据线以及地 址命令线信号传输时延的关系，进一步结合阻抗控制下的单位长度p c b 传输线的 时延，得到建蓟保持时间裕量与p c b 传输线长度的关系。通过调整传输线的长度， 来实现建立时间与保持时间裕量的最大。 论文中对时序的仿真，使用了眼图测量与眼图模板标示。首先分别设定数据线、 数据选通线、地址命令线以及时钟线的长度。通过建立电路模型并输出眼图，制作 眼图模板。在眼图模板上显示出建立时间、保持时间、建立时间裕量、保持时间裕 量以及时钟抖动。这样可以直观的显示出需要调整的时间裕量，以方便通过走线长 度的调整实现时间裕量的调整。 关键词：源同步时钟系统：时序；t 型分枝；摆幅；眼图；最优电平判决裕量 最大建立时间裕量；最大保持时间裕量 a b s t r a c t a si sk n o w nt oa l l ，p c bl a y o u tb e t w e e nt h em c ua n dd d r 2i sv e r yd i f f i c u l ti nt h e p c b l a y o u td e s i g n i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，t h ed e s i g nc o n t a i n i n gd o u b l ed d r 2 i sv e r y c o m m o n i nt h i sp a p e r , w ef o c u so ns t r a t i xi vf p g ao fa l t e r aa n dm t 4 7 h18 m 8d d r 2 o fm i c r o n , a n a l y s et h ed d r 2i n t e r f a c ed i g i i t a ll e v e la n dt i m i n g ，t od e v e l o pap c bl a y o u t s c h e m e ，t h u st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc p ua n dd d r 2 i sm o l er e l i a b l e t h i sp a p e ra n a l y z e de l o e ks i g n a l ，a d d r e s s c o m m a n ds i g n a l ，w r i t ed a t as i g n a l ，a n d w r i t ed a t as t r o b es i g n a lo ft h ed d r 2i n t e r f a c er e s p e c t i v e l y i n c l u d i n ga l ls i g n a lt y p e so f t h ed d r 2i n t e r f a c e t h r o u g hi m p e d a n c ec o n t r o lo ft h ep c bt r a n s m i s s i o nl i n e ，t h e o p t i m i z a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n etb r a n c hs t r u c t u r ea n dt h em o s ti m p o r t a n tt e r m i n a t i o n 0 1 o d t , w e c a l li m p l e m e n td e c o r a t eo fd i g i t a lw a v e f o r ma n da d j u s t m e n to fa m p l i t u d e ，i n o r d e rt oo b t a i nt h eo p t i m a ll e v e ld e c i s i o n o nt h eo t h e rh a n d ，i nt h ec l o c ks y s t e mo f d o u b l ed d r 2i n t e r f a c ea d d r e s s c o m m a n dc a p t u r ea n dt h ec l o c ks i g n a lc o n s t i t u t ea s o u r c es y n c h r o n o u sc l o c ks y s t e m , w r i t ed a t ac a p t u r ea n dw r i t ed a t as t r o b e s i g n a l c o n s t i t u t ea n o t h e rs o u r c es y n c h r o n o u sc l o c ks y s t e m b u tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e l lt h et w o i s ，t ow r i t ed a t ac a p t u r et r i g g e ri nt h es t r o b es i g n a lu p p e ra n d l o w e re d g e ，a n dt h ea d d r e s s c o m m a n dc a p t u r e dt r i g g e rj u s ti nt h ec l o c ks i g n a lu p p e rc d g e i nt h el e s p e c t i v cs o u r c e s y n c h r o n o u sc l o c ks y s t e m , t om a k es e t u pt i m em a r e i na n d h o l d t i m em a r g i nm a x i m u ma t t h es 锄et i m e , n a m e l yt os e t u pt i m em a r g i ne q u a lt oh o l dt i m em a r g i n t h ew o r ko ft h i s p a p e ri st of i n dr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h es e t u pt i m em a r g i n h o l dt i m ei t l a l g i no f a b o v e s y s t e m sa n dt h es i g n a lt r a n s m i s s i o nt i m eo ft h et h ec l o c kl i n e ，a n ds t r o b el i n e ，d a t aa n d a d d r e s s c o m m a n dl i n e ，i no r d e r , f u r t h e rc o m b i n i n gt h ep c bt r a n s m i s s i o nl i n ed e l a yo fu n i t l e n g t h , s ow ec a ng e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i m em a r g i na n dl e n g t ho fp c bt h e t r a n s m i s s i o nl i n e b ya d j u s t i n gt h el e n g t ho ft h et r a n s m i s s i o nl i n e ，t oa e l a i e v et h es e t u p t i m em a r g i na n dh o l d t i m em a r g i nm a x i m l j l l l t m a i n gs i m u l a t i o ni nt h ep a p e r , u s i n gt h ee y em e a s u r e m e n t sa n de y ed i a g r a m t e m p l a t em a r k u p t h ef i r s t s e tt h el e n g t ho fd a t al i n e s ，s t r o b el i n e ，c l o c kl i n ea n d a d d r e s s c o m m a n dl i n er e s p e c t i v e l y b ye s t a b l i s h i n gt h em o d e lo fc i r c u i ta n do u t p u te y e d i a g r a m ，m a k i n ge y ed i a g r a mt e m p l a t e i nt h ee y et e m p l a t ed i s p l a y ss e t u pt i m e ，h o l d t i m e , s e t u pt i m en l a r g i n h o l dt i m em a 玛i na n dt h ee l o e kj i t t e r v i s u a l l ys h o wt h en e e dt o a d j u s tt h et i m em a r g i n , i no r d e rt ob ec o n v e n i e n tt ol i n e sl e n g t ha d j u s t m e n t k e y w o r d s s o u r c es y n c h r o n i z a t i o nc l o c ks y s t e m ；t t m i n g ；tb r a n c h ；s w i n g ； e y ed i a g r a m ；o p t i m a ll e v e ld e c i s i o nm a r g i n ；m a x i m u ms e t u pt i m em a r g i n , m a x i m u mh o l dt i m em a 玛i n 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第1 章绪论 1 1 课题背景与研究意义 d d r 2 ( d o u b l ed a t ar a t e2s d r a m 的简称) 是由j e d e c ( 电子设备工程联合 委员会) 进行开发的新一代内存技术标准。 d d r 2 的优势在于高数据传输速率、低功耗以及高密度等特点。d d r 2 的带宽 比d d r 的带宽更宽。d d r 2 的1 8 v 工作电压使其在功耗上比d d r 整整低了一半。 从服务器、工作站和个人计算机等高端产品到蜂窝手机和p d a 等移动产品，再到 游戏机、车载导航仪以及数字电视等消费类电子产品，d d r 2 有着广泛的应用。 d d r 2 与c p u 的之间的通信属于并行数据通信。以d d r 2 1 6 的存储器为例， 以一个字节为一个数据通道，十六位为两个字节，即两个数据通道。每一个数据通 道搭配一个数据选通信号。在每一个数据通道中，八个位数据同时传输，需要八条 传输线。如果是双d d r 2 的情况，一共有3 2 条数据线。再加上地址命令信号，传 输线的数量就会非常的大，同时p c b 空间是有限的，于是不得不进行高密度的布线。 在同一区域里并行的多路信号会相互电磁耦合。耦合分为容性耦合和感性耦合两 种。容性耦合是由于干扰线上的电压变化在被干扰线上产生感应电流从而导致的电 磁干扰，而感性耦合则是由于干扰线上的电流变化在被干扰线上产生感应电压而导 致的电磁干扰。感应过来的电压脉冲或电流脉冲与正常通过的数字信号进行叠加， 会使数字信号部分上突或下凹。因此，就减小了电平判决的裕量。这就是对电平波 形修整的原因之一。另一方面，感应过来的电压脉冲或电流脉冲会减少被耦合线的 时延，会减小时间判决裕量。这是对时序时间调整的原因之一。 系统时钟频率的不断提高，留给数据捕获的有效读写窗口也越来越小。提高捕 获的效率势在必行，通过缩短建立时间和保持时间是有一定的效用，但是由于受到 器件本身的限制，建立时间和保持时间不可能无限的减小。另一方面，建立时间与 保持时间不相等，因此就不能简单认为在数据的有效读写窗口的中点来捕获数据会 同时得到最大建立时间裕量与保持时间裕量。我们尽可能在小的建立时间和保持时 间的情况下，通过时序时间的调整来使建立时间裕量和保持时间裕量同时最大。另 一方面，造成数字波形的畸变的原因很多，包括上面的相邻信号线之间的电磁耦合。 我们对畸变的数字波形进行修整，同时进行幅度的调整，使电平的判决最优。这样 构建的通信系统的抗干扰能力是非常强的，也就很稳定。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 论文的主要内容 首先介绍论文中电路仿真所用到的一些模型。使用i b i s 模型来模拟芯片的i o 口缓冲器，包括输入缓冲器与输出缓冲器。具体地，分别介绍了i b i s 模型的构成特 征、特性参数、i 数据表以及切换波形的数据部分。由于仿真分析用的是瞬态分 析器，在论文中介绍了输出缓冲器瞬态仿真的原理。另外介绍了a m o t td e s i g n e r 库 中的一些模型，如：多重耦合传输线模型，用来模拟数据线、地埘命令线。多重耦 合差分对模型，来模拟差分时钟线和数据选通线。单端传输线用来模拟数据信号以 及地址命令信号的传输。传输线模型是建立在一定的介质基础上的，所以论文中制 订了一个六层板的叠板方案。包含有d d r 2 的p c b 设计，走线的量是非常大的， 再加上其它的应用，需要足够的走线空间，六层板是非常的常见。本文的六层叠板 还有另一个特点，即内外层信号走线宽度不变的情况下，特性阻抗都为5 0 f 2 ，当信 号线在顶层走不通的时候，通过过孔换到内层，而特性阻抗基本没有变化。特性阻 抗的连续保证了信号低的能量反射，对保持优质电平波形有很大益处。对于激励源 模型的使用，包括码源模型和时钟源模型两种。码源模型来模拟芯片内部数据输出 或地址命令输出，而时钟源模型，来模拟芯片内部的时钟信号输出或选通信号的输 出。接着简绍了器件的p i n 封装参数，包括电容、电感、电阻的参数。将这些参数 添加在i o 口模型与传输线模型之间。 在实验室中，通常用示波器观察接收信号波形来分析码间串扰和噪声对系统性 能的影响的方法，即眼图分析法。本文简单地介绍了眼图的模型以及眼图测量参数。 时钟的抖动直接影响建立时间裕量与保持时间裕量。在抖动分析中，信号含有的抖 动成分是随机的，因此必须采用统计的手段来分析，而直方图就是最常用的统计分 析工具。描述直方图的三个主要参数为：均值、标准差以及峰峰值。抖动大体可以 分为：由温度及阻抗不连续造成的随机抖动与由外部的电磁耦合造成的确定型抖动 两个方面。 d d r 2 接口涉及到两类源同步时钟系统，地址命令捕获与时钟信号构成一种源 同步时钟系统，写数据捕获与写数据选通信号构成另一种源同步系统。两者在时钟 触发的方式上不同，数据的传输速率也不同。因此，本论文首先介绍了写数据捕获 与写数据选通信号构成源同步时钟系统的基本结构，并对其时序进行了详细的分析 计算，找出建立时间裕量与保持时间裕量和系统中的那些参量有关。当建立时间裕 量与保持时间裕量同时获得最大时，对于源同步可以计算出数据选通线与数据线的 数据传输时间差。进一步结合阻抗控制下的单位长度p c b 传输线的时延，得到建立 保持时间裕量与p c b 传输线长度的关系。在实际的数据传输的过程中会有各种各 6 硕士学位论文 l 雌s t e r st h e s i s 样的干扰，会导致传输时延的偏差，还有时钟的抖动以及芯片内的延时不确定，也 会带来传输时延的偏差，需要对线长进行调整。结合阻抗控制下的单位长度p c b 传输线的时延，得到建2 r _ 保持时间裕量与p c b 传输线长度的关系。参考d d r 2 接 口时序规范，通过调整传输线的长度，最终提出双d d r 2 接口选通信号与数据信号 的最优时序的调整方案。另一方面，对数据信号与数据选通信号的传输分别构建电 路模型，通过添加并修改片上终结电阻( o d t ) ，仿真输出时域波形或眼图，同时 参考d d r 2 接口电压输入标准，找出最优的判决电平。 地址命令捕获与时钟信号构成的另一种源同步时钟系统。该源同步时钟系统在 数据传输上采用了t 型分枝结构。地址命令信号在传输上速率比数据信号的传输慢 了一倍。所以采用了t 型分枝结构，以节省p c b 的布线空间。根据工程的经验制 订出t 型分枝结构的典型尺寸，也给出了其它非t 型分枝结构的典型尺寸。接着分 别对t 分枝线进行t d r 分析，通过t d r 仿真来观察阻抗的连续性。对t 分枝线进 行枝线长度分析，可以看出电压波形对枝线长度的增加不是很敏感，枝线长度在一 定的范围内是可以接受的。对t 分枝线进行枝线长度偏差分析，并在输出眼图上制 作电平阈值与过冲厂f 冲电压模板，可以清楚的看到，当枝线长度偏差加大时，时域 波形快速恶化、振荡加剧、眼图模糊，即输出波形对枝线长度偏差非常的敏感。最 终确定合理的分枝结构。接下来分析地址命令捕获与时钟信号构成的另一种源同步 时钟系统的时序。通过找出系统的建_ 立保持时间裕量与时钟线、地址命令线信号 传输时延的关系，进一步结合阻抗控制下的单位长度p c b 传输线的时延，得到建立 保持时间裕量与p c b 传输线长度的关系。参考d d r 2 接口时序规范，通过调整传 输线的长度，最终提出双d d r 2 接口时钟信号与地址命令信号的最优时序的调整方 案。另一方面，对时钟信号与地址命令信号的传输分别构建电路模型，通过添加并 修改板上端接电阻，仿真输出时域波形或眼图，同时参考d d r 2 接口电压输入标准， 找出最优的判决电平。 1 3 论文的章节安排 本文的章节安排如下： 第一章，介绍论文课题研究的背景，提出论文课题的研究内容以及研究的意义。 第二章，仿真模型介绍。 第三章，写数据选通及写数据信号的摆幅及时序分析。 第四章，时钟及地址命令信号的摆幅及时序分析。 第五章，总结了本文的研究内容，并订出下一步研究的工作。 7 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 第2 章仿真模型介绍 本章首先介绍了i b i s 模型，即输脯出缓冲器模型。本文的输出缓冲器模型 和输入缓冲器模型分别采用s t r a t i xi vg xi b i s 模型和m i c r o n 的m t 4 7 h 1 2 8 m 8 c f i b i s 模型。本章的第一节分别介绍了i b i s 模型，接着介绍了瞬态仿真的原理。最 后介绍了a n s o f ld e s i g n e r 库中部分模型，包括激励源模型与传输线模型两大方面。 激励源模型包括，时钟信号与数据选通信号用的时钟源的参数设置，写数据信号与 地址命令信号所用的位发生器的参数设置。传输线模型包括，时钟信号与数据选通 信号用的多重耦合差分对微带模型，写数据信号与地地命令信号用的单端微带模型 以及t 型结与交叉结模型。本章的最后，分别介绍了仿真所用到的c p u 端引脚与 d d r 2 端的引脚的封装参数。 2 1i b i s 模型 i b i s 7 1 ( i n p u t o u t p u tb u f f e ri n f o r m a t i o n a ls p e c i f i c a t i o n ) 是用来描述i c 器件的 输入、输出以及i o 缓冲器行为特性的文件，常用来模拟芯片的缓冲器与板上电路 系统的相互作用。在i b i s 模型的文件里核心的内容就是缓冲器的模型，因为这些 缓冲器本身会产生一些模拟的波形，仿真器利用这些波形来模拟传输线的影响和一 些高速现象( 如串扰，e m i 等) 。具体而言i b i s 描述了一个缓冲器的输入和输出 阻抗( 以i v 曲线的形式) 、上跳和下跳时间以及不同情况下的上拉和下拉，那么 工程人员可以利用这个模型对p c b 板上的电路系统进行s i 、串扰、e m c 以及时序 的分析。i b i s 模型的规范支持几种输入和输出，例如可建模三态、开源、开漏、i o 和e c l 的输入输出。图2 1 所示，为标准的c m o s 推拉电路三态输出的结构，模 型可视为一个驱动器缓冲器。它包含一个p m o s 晶体管和一个瑚o s 晶体管，两个e s d 保护二极管，芯片电容和封装寄生参数( 电阻、电容及电感) 器件。图2 2 为三态 输入缓冲器模型结构，其模型可视为接收器缓冲器。它包括两个e s d 保护二极管、 芯片电容和封装寄生参数( 电阻、电容及电感) 器件。具体地，三态输出缓冲器的 模型结构如图2 1 所示，三态输入缓冲器模型结构如图2 2 所示。 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ： 垤c优c ： 季 c c o r t 币 r - p 叼l p k g i i l | 芒 ：1- 一一，、- l 一 ： 1 圭 l 工 li 酞 t c p 叼 上 i j 7 i 蔷 v d d 图2 1 三态输出缓冲器模型结构 v c c f 态 l r - p q f ：c c a m p 一 工 【 i圭 cp 幻t 态 - 善 i j - 巾d 封装参数静电保护硅芯片电容 图2 2 三态输入缓冲器模型结构 输出缓冲器模型通过交流电气、直流电气、转换数据以及其它参数四个方面进 行表征嘲2 。包括：上拉和下拉曲线( i v 表) 、电源和g n d 箝位曲线( i v 表) 、斜 坡速率和切换波形( v t 表) 、cc o m p ( 硅片电容) 及封装参数等。上拉和下拉数 据决定了器件的电流驱动强度，这个曲线通过特征化输出中的两个晶体管来获得。 上拉数据描述当输出为逻辑高电平状态( p m o s 晶体管导通) 时的i v 行为。而下拉数 据表示当输出为逻辑低电平状态( n m o s 晶体管导通) 时的直流电气特性。这些数据都 在一v c c 至2 v c c 的范围内获取。虽然2 v c c 的电压值超过了半导体厂商在器件规格 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中指出的绝对最大额定值，但是这个范围覆盖了传输线中可能发生的下冲、过冲和 反射的情况。因此，驱动器和接收器需要使用这样的电压范围建模。 值得注意的是下拉数据是相对于g n d ( v d d ) 的，而上拉数据是相对于v c c 的，这 个时候输出电流取决于输出端和v c c 引脚之间的电压，而不是输出端和接地引脚之 间的电压。因此，i b i s 文件中的上拉数据应按照下面的表达式输入 v _ t a b l e _ p u l l u p = v c c y o u t ( 2 1 ) 电源和g n d 箝位曲线是在输出为高阻态时生成的。电源和g n d 箝位数据表示输 出端在电源箝位和g n d 箝位二极管分别导通时的电气性能。当输出低于接地电平 时，g n d 箝位有效，当输出高于v c c 时电源箝位有效。对于g n d 箝位曲线，数据在一 v c c 至v c c 范围内获取，对于电源箝位曲线，数据在v c c 至2xv c c 范围内获取。 由于是上拉数据，电源箝位数据需要相对于v c c ，因此使用与( 2 1 ) 相同的表达式。 v _ t a b l e _ p o w e r c l a m p = v c c v 0 u t ”“”“”“”( 2 2 ) 对于输入模型而言， v _ t a b l e _ p o w e r c l a m p = v c c v i n ( 2 3 ) g n d 和电源箝位数据需要从上拉和下拉数据中减去。否则，仿真器要计算两次。 而值得注意的是，如果一个器件的工作环境比较特殊下，那么该器件的输出可 能超出该范围，所以i v 列表的数据限制还需要进一步扩展，也就是对于i v 曲 线的数据取值范围需要进一步扩大。电压扫描范围【8 1 3 ，如表2 2 所示。 表2 2 电压扫描范围 i v 特性范围 上拉 一v 2 v 下拉一v 2 v 电源箝位v 2 v g n d 箝位- v v 斜坡速率( d v d t ) 描述输出端从当前逻辑状态切换到其它逻辑状态的转换时 间。它是在默认5 0 q 阻性负载条件下在2 0 9 ( , 和8 0 点测得的。 下跳和上跳波形显示出器件在驱动连接到地和v c c 的阻性负载从高电平到低电 l o 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 平和从低电平到高电平所需的时间。对于标准推挽c m o s ，可产生四个不同波形。两 个上升波形，两个下降波形。在每种情况下，一个是负载与v c c 连接，另一个是负 载与g n d 连接。然而，在模型中经常只能看到其中两个波形。斜坡速率与下跳和上 跳波形包含了芯片电容的影响。因此，从仿真器仿真器方面讲，如果使用cc o m p 值作为输出端的额外负载，就会产生错误的结果。这是c _ _ c o m p 影响的重复计算。 另外，由于有i v 曲线，封装的影响没有包括在内。 在提取上跳和下跳速率的数据的时候，如果器件的输出转换波形( v t 曲线) 可以看作是线性的变化，那么可以使用关键词 r a m p 将v t 曲线的特性描述为上升 和下降的速率( d v d t ) 。来提取上跳沿和下跳沿波形的数据。如果器件的输出转 换( 两个状态的转换) 波形具有明显的非线性，那么就需要 r i s i n gw a v e f o r m 和 f a lli n gw a v e f o r m 的数据来描述。 c _ _ c o m p 是关键参数，特别是对于接收器的输入。而i u ，i n 、l _ p i n 和c - p i n 是 每个引脚到缓冲器连接的电阻、电感和电容的电气特性。r _ p k g 、l - p k g 和c _ p k g 是 封装的集总参数值。 对于输出模型，有一些参数应包含在文件中，对时序要求进行后仿真。这些时 序测试负载和测量点是测试负载电容值( c r e f ) 、测试负载电阻值( r r e f ) 、测试负载 上拉或下拉参考电压( v r e f ) 和输出电压测量点( v m e a s ) 。当指定传播延迟和或器件 输出切换时间时，他们与半导体厂商使用的测试负载相同。对于输入，应包括v i m 和v i n h 参数。这些是输入端的输入电压阈值，可从数据手册中获得。 2 2 瞬态仿真的原理介绍 为了更精确的描述瞬态响应，i b i s 的输出b u f f e r 模型记录了两张不同负载情况 下的数据表，分别对应了输出端从低电平到高电平和从高电平到低电平的两种 不同翻转方式，一共有4 张v 厂r 数据表，进而从中提取瞬态电流调制系数的方法称 做四波形法【n j 。其中，i b i s 输出b u f f e r 的电路模型【1 1 1 如图2 3 所示。而表2 3 则 给出了电路模型中的各参数的功能描述。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s d l ? 宁p o w e rd ：罂x 一 f 。b 出n d d a m 打，、。：一 、：_ j 一一、 图2 3i b i s 输出b u f f e r 的电路模型 表2 3 两类负载下的四种波形 上下拉器件电流调制系 负载条件rf i xvf i x器件开关状况 及波形数 上拉与上跳 k _ u p _ o n ，上拉器件开同 波 5 0 qg n d kd no f f 时下拉器件关 负载一 下拉与下跳kd no n ，下拉器件开同 波 5 0 qg n d k _ u p _ o f f时上拉器件关 上拉与上跳 k _ u p _ o n ， 上拉器件开同 波 5 0 qv c c kd no f f 时下拉器件关 。负载二 下拉与下跳kd no i l ，下拉器件开同 波 5 0 qv c c k _ u p _ o f f时上拉器件关 结合图2 3 的电路模型，于是我们列出四个方程： k _ u p _ o nxi _ u p ( r o u t _ r i s e ( t ) ) + k d n o f fxi _ d n ( v o u t _ r i s e ( t ) ) = v o u t _ r i s e ( t ) - 6 n d 】r f i x - c _ c o m p 【d ( y o u r _ r i s e ( t ”d q ( 2 4 ) k d n o nxi _ d n ( v o u t 触l ( t ) ) + k _ u p _ o f fxi _ u p ( v o u t _ f a n ( 0 ) = v o u t _ f a l l ( t ) - 6 n d 】r f i x c _ c o m p x 【d ( v o u t _ f a n ( t ) ) d t 】 ( 2 5 ) k - u p - o nxi _ u p ( y o u r 矗s e ( t ) ) + k d n o f f i _ d n ( v o u t _ r i s e ( t ) ) = v c c - v o u t _ r i s e ( t ) 】r f i x c _ c o m p x d ( r o u t s e ( t ) ) d t 】 ( 2 6 ) k d n o nx i _ a n ( v o u t 脚l ( t ) ) + k _ u p 9 行x i _ u p ( v o u t _ f 址l ( t ) ) 1 2 硕士学位论丈 m a s t e r s t h e s i s = v c c - v o u t _ f a l l ( t ) 】r f i x - c _ e o m p x d ( v o u t _ f a l l ( t ) ) d t 】 ( 2 7 ) v o u tr i s e ( t ) 和v o u tf a l l 6 ) 为在d i e 点处输出的电压。通过上面的四个方程构成 的方程组，就可以解除四个电压调制系数。当前输出电压时，对应的上、下拉器件 稳态i 乘以相应的调制参数，就可以得到上、下拉器件的瞬态电流值。最终，我 们可以求得输出b u f f e r 的瞬态响应。这就是输出缓冲器瞬态仿真的原理。 2 3a n s o f td e s i g n e r 库中部分模型的介绍 本论文中所用的仿真软件为a n s o f id e s i g n e r6 0 ，其中n e x x i m q 是a n s o f i 新一 代电路仿真工具，能够快速精确地仿真复杂和大规模的模拟和混合信号电路。它 不仅提供了敏感的模拟和无线前端电路晶体管级的仿真精度，还具有针对现代复杂 的混合信号集成电路的空前的仿真能力。n e x x i m 是新的数值算法与现代软件工程 技术相结合的产物，与现有其它商业软件工具相比，在仿真速度、精度和仿真能力 方面有巨大的飞跃。在后续的仿真中，将会用到a n s o f id e s i g n e r 库中部分模型。除 了前面讲到的i b i s 模型之外，主要包括两大类：一类是微带模型；另一类是激励源 模型。微带模型主要用于信号的传输，而激励源模型相当于信号发生器，产生一定 频率的信号。我们用到的微带模型包含了多重耦合差分对、单端微带线、t 型结以 及交叉结。激励源模型包含了时钟电压源和数字随机位发生器电压源。 2 3 1 传输线模型 传输线模型是建立在一定的介质基础上，所以分析传输线模型，就必须先确定 介质的构成。我们用p o l a rs i 9 0 0 0 来分别计算内外层走线的特性阻抗。在构建六层 板的同时，也要做阻抗控制。微带线与带状线的特性阻抗计算如图2 5 与2 6 所示。 s 油曲硅e 1h o i o h t h 1 广而c 出j i a t el s 曲l t r 6 f c ld 斟e 曲i c e 门r 1 丽c 如u 域e l k o v v e ft f e m d u lm 广而 u p l a dt , a c ：ew i d t h w 2 广而c a l c u i a t el t r a c et t c k n e t 1 广而c 出咖e l g o e t j n 口a b o v e $ u b t a t a t ea 广1 而 c o a t i a b o v et m o el 2 广百商丽 晰d 枞 旺r 广了丽面 i m p e d z o 广葡面函团 图2 5 微带线的特性阻抗 1 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s s u l 埘f e t e1h e i g h t s u b 谢a t e1d i e l e c t r i c s u b 盘f , m e2h e i g h t s 曲霉t r a t e2d b l e c h 耙 l o v v _ tr a c ew i d t h u p p mtr a c ew i d t h t f a c et h i c k n e o s m d e d a n c e 图2 6 带状线的特性阻抗 h 1 厂百葡萄 c e d c u l a l ei er l 广蕊c e l o , a n l e i h 2 r 百讨丽 u _ a i c a , _ a l el e r 2 厂丽c e l c u l e t el w 1 广而 w 2 广而c e l - u l e t el t 1 厂1 i 丽蔚c a i c 山t e l z o 厂丽厘囡 羔竺2 一j 从图2 5 与图2 6 可以看出，走线的宽度不变的情况下，可以保持能内外层走 线的特性阻抗同为5 0 f 2 。对于高密度的走线来说，选择线宽为0 1 3 m m ( 5 m i l ) ， 是合理的。一般同样线宽的传输线在外层走线的特性阻抗要大于其在内层走线。从 计算的结果，可以清晰地看到内外层走线的特性阻抗表现出高度的一致性。这种叠 板结构的优点：对每一个信号层，不需要改变信号线的线宽就能得到一个稳定的5 0 欧姆特性阻抗【4 j 。其原因是，第一、三、六层的信号走线在相邻层都能找到参考地 平面【3 】，这就为维持信号走线5 0 欧姆特性阻抗的稳定起到重要作用。由图2 5 或图 2 6 中的数据，可以得到表2 6p c b 的具体叠板数据。 表2 6p c b 叠板数据 层序功能厚度( n u l l )材质 顶层信号 0 0 5 铜 介质 o 1f r 4 第二层地平面 0 0 3 5 ( 1 0 z ) 铜 介质 0 1 5f r 4 第三层信号 0 0 3 5铜 介质 0 8f r 4 第四层电源平面 0 0 3 5 铜 介质 0 1 5 f r 4 第五层地平面 0 0 3 5 铜 介质 0 1f r 4 底层 信号 0 0 5 铜 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 从表2 6 中，可以看出p c b 的叠层，采用了对称的结构。 在d d r 2 的接口信号中，时钟信号和数据选通信号使用的是差分走线，采用 a n s o rd e s i g n e r 中的多重耦合差分对【1 2 1 ( m u l t i c o u p l e dl i n e s ，d i f f e r e n t i a lp a i r s ，f i e l d s o l v c r ) 微带模型来表示差分走线。 表2 7 多重耦合差分对参数值的设定 参数描述值 l 物理长度可选择 n 同时走线的数目 2 w 微带线的宽度 o 1 3 m m g a p差分线的间距 0 1 8 m m t 1 微带线的厚度 0 0 5 m m 亿 参考地的厚度 0 0 3 5 m m h 介质层的厚度 0 1 m m h u 空气层的厚度 2 5 r a m e r 介电常数 4 4 l o s s t a n g e n t损耗角正切值 0 0 2 c o n d u c t i v i t y导体的电导 5 9 6 e 7 1 3 l 而地址命令线和数据总线走的是单端信号线，使用a n s o f td e s i g n e r 中的微带传 输线模型单端传输线模型f 1 4 】( t r a n s m i s s i o nl i n e ，f i e l ds o l v e r ) 。具体的参数设置， 除了不用设置差分线的间距( 无这一项) ，其它的参数同于表2 7 。 微带t 型结嗍( t e e ，r e f e r e n c ep l a n e sc e n t e r ) ，其结构如图2 7 所示。 n 1 图2 7 微带t 型结的结构 1 5 硕士学位论文 n 【a s t e r st h e s i s 微带t 型结位于t 型分枝走线的分叉点处，起到连接干线和两枝线的作用。因 为干线和枝线的走线宽度是一致的，都为0 1 3 r a m ，所以微带t 型结的w l 、w 2 、 w 3 都为o 1 3 r a m 。 第四个微带模型为交叉结【1 6 1 ( c r o s sj u n c t i o n ) ，其结构如图2 8 所示。 n 2 一n 4 图2 8 微带交叉结的结构 交叉结与t 型结的作用类似，将四条微带线连接在一起。各枝路的走线宽度是 一致的，都是o 1 3 m m ，所以w 1 、w 2 、w 3 、w 4 都设为0 1 3 r a m 。 2 3 2 激励源模型 本设计中，时钟信号和选通信号的激励源用的是时钟电压源【1 7 1 ( v o l t a g es o u r c e ， c l o c kw i t hj i t t e r ) ，地址命令以及数据信号的激励源为数字随机位发生器电压源【1 8 1 ( v o l t a g es o u r c e ，d i g i t a lr a n d o mb i tg e n e r a t o rw i t hj i t t e r ) 。时钟电压源具体参数设 置如表2 8 所示，数字随机位发生器电压源参数设置如表2 9 所示。 1 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 表2 8 时钟电压源参数 参数功能描述取值 v 1 时钟低电压 0 v v 2 时钟高电压 1 2 v 豫上跳沿上跳时间 2 0 0 p s t f 下跳沿下跳时间2 0 0 p s p w 脉宽( v 2 的保持时间) 1 0 5 n s p e r 时钟周期 2 5 n s j i t r e r 时钟周期的抖动可选 r o u t 为了抖动计算的输出电阻 1 q 表2 9 数字随机位发生器电压源参数 参数功能描述取值 b i t f i l e b i t 值取自外部文件 p r b s l 7 t x t b i t w i d t h b i t 持续的时间( v t h 电平上) 2 4 n s 豫 上跳沿上跳时间2 0 0 p s t f 下跳沿下跳时间2 0 0 p s v l o低逻辑电平电压 0 v v m 高逻辑电平电压 1 2 v v t h 电压阈值 o 9 v 对于时钟电压源中的j i i t e r 参数属于有界不相关抖动【1 9 1 ( b u j ，b o u n d e d u n c o r r