高速网络拓扑 分析与仿真应用.doc

高速网络拓扑 分析与仿真应用唐星海 张 军现在的高速数字系统中，系统主频越来越高，满足信号的建立和保持时间成为制定PCB设计约束规则的关键，设计人员更多的精力要放在逻辑的板级实现上。由于高速互连系统中存在着大量复杂的总线拓扑,因此正确选择网络拓扑结构在高速数字系统的板级设计中很重要。本文针对高速信号传输问题，以传输线理论为基础，通过信号仿真对各种拓扑结构进行分析，提出板级设计过程中网络拓扑选择的基本原则,并通过对工程应用中的网络拓扑仿真，提出解决多端网络（multidropnet）信号完整性分析的具体思路。一、传输线互连线将多个点连在一起形成了一个网络（net），理想情况下,我们会认为每个点的信号波形是一致的，互连线仅仅起到了连接的作用，即各点之间的信号是瞬间传递的,这时网络使用哪一种拓扑结构得到的结果都是一样的。实际的情况并非如此,互连线本身具有电阻、电容和电感,信号在其上传输需要一定的时间，当这个信号延迟时间与信号本身的变化时间(上升沿或下降沿)相比已不能忽略的时候,互连线就呈现出传输线特性。传输线可以看作是一个分布参数系统，其电容、电阻、电感和电导分布于传输线的各个点上。传输线有其固有的特征阻抗Zo,不同长度的传输线会引起不同的信号延迟Td。如果传输线上阻抗不连续或终端不匹配就会引起信号的反射。对于数字信号来说，反射的结果表现为上升沿、下降沿的振铃和过冲，如图1所示。图2是典型的传输线反射的例子,设p为反射系数,R为匹配电阻,可以得到:。若终端阻抗不匹配一部分信号向源端Vs方向反射,当反射信号到达源端时,如果源端阻抗也不匹配,将再次产生反射。这样,在源端和终端都存在阻抗不连续点时,信号便在源端和终端之间来回反弹，但最终会达到一个稳定的直流状态,这种情况就是信号的多重反射。如果传输线由两段不同特性阻抗的传输线组成，则连接点处也会产生信号反射。传输线上出现的分叉点就是这样一个阻抗不连续点。二、多端网络的拓扑结构在高速电路设计中,正是由于传输线的存在和它的特性(主要是反射,除此之外还有串扰,但这里我们不考虑),导致了多端网络在使用不同的拓扑结构和阻抗匹配方式时,各点得到的信号波形不一样。以下是对几种典型拓扑结构(图3)的分析。1.点到点(Point-to-point)点到点的拓扑结构比较简单，只要在发送端或接收端进行适当的阻抗匹配(通常情况下使用其中的一种就够了，有的电路会出现要求同时使用两种匹配的情况)，便可以得到较好的信号完整性。2.菊花链(Daisychain)当网络(net)的整个走线长度延迟小于信号的上升或下降时间时,用菊花链拓扑结构(图4)会比较好,这时网络上的负载都可以看作为容性负载。菊花链同时也限制了信号的速率,只能工作在低速电路中。以下是用Hspice对图4的电路进行仿真的例子,图5是取不同的网络延时Td(Td=Td1+Td2+Td3)得到的A点的波形情况。可以看出Td=0.1ns和Td=0.3ns网络延时(小于信号上升沿1ns)时得到的波形明显好于Td=2ns时的波形。3.星形(Star)星形的拓扑结构要求每个分支(stub)都要进行均衡设计,这样即使在非常快的变化沿情况下仍可以得到很好的性能。下面的例子中有一段stub连接在Td10ns的传输线的中间,通过Hspice进行仿真，可以看到当stub的长度增加时,产生的振铃周期增加,振铃的幅度加大并且要用很长的时间才能稳定下来。当stub的长度等于其它分支的长度时,虽然仍存在多重反射,但波形的质量明显提高了许多,如图6和图7所示。因此使用星形的拓扑结构时,要求每个分支的接收端负载一致,并选择适当的匹配方式。4.远端分支(Far-endcluster)跟星形类似，只不过分支是靠近接收端。在这种拓扑结构中,也要限制远端stub的长度，使stub上的传输延时小于信号上升沿，这样每个接收端都可以被看作为一个简单的容性负载。5.周期性负载(Periodicloading)周期性负载的拓扑结构同样要求每段stub的长度足够小,使stub上的传输延时小于信号上升沿。这种主干传输线和所有的stub段组合起来的结构可以看作为一段新的传输线，其特征阻抗要比原来主干传输线的特征阻抗小,传输速率也比原来的低，因此在进行阻抗匹配时要注意。三、多端网络的设计应用在实际的PCB设计过程中,如果关键信号是涉及到多端网络时,设计工程师要么根据IC厂商的Demo设计(但很难与实际情况吻合),要么进行信号仿真和信号完整性分析来决定采用哪一种拓扑结构。下面是一个网络产品设计实例:PCB板上有大量的数据总线,这些数据总线大都是多点到多点的多端网络,我们选择其中的D0总线做了仿真分析。D0总线连接有四个FPGA器件,分别为XP1(子卡)、IC2、IC9、IC19。设计要求XP1和IC2为驱动端，IC9和IC19为接收端。但XP1和IC2不同时作为驱动。当XP1作驱动端时，IC2开路；IC2作驱动端时,XP1开路。由于网络互连有开路，会有很大一段长度的stub,仿真时要考虑到拓扑结构和stub长度的影响。图9和图10分别是用两种拓扑结构(菊花链和星形,图8)进行仿真得到的接收端仿真波形,其中stub长度为120mm。IC2作驱动,不安装XP1时的情况类似。仿真用到的器件模型均为IBIS模型，仿真工具是SpecctraQuest。可