信号完整性分析基础系列之十四——力科眼图医生与HSPICE仿

1、中心议题：· 眼图医生和HSPICE仿真结果和实际测试波形对比 · 为高速背板设计提供新思路 解决方案： · 眼图医生预加重/去加重仿真等功能是系统调试的好工具 · HSPICE在使用S参数模型时需要注意以避免仿真结果出错摘要：本文使用力科示波器的眼图医生软件和Synopsys公司的HSPICE仿真同一个背板系统，并把两种方法的仿真结果和实际测试波形对比，分析和验证了两种方法的精度与优缺点，对于高速背板设计提供了新的思路。关键词：眼图医生（Eye Doctor） HSPICE  信号完整性仿真眼图医生与HSPICE简介眼图医生（Eye

2、 Doctor）是力科于2006年推出的用于高速串行数字电路设计的强大工具，集成在高带宽示波器中，包括了虚拟探测（virtual probing）与接收端均衡（receiver equalization）两部分，主要用于通讯背板设计、高速串行信号一致性测试、高速SERDES芯片均衡器的优化与设计等等。在2009年2月，力科发布了新一代的眼图医生II，提供了更强大的分析能力与良好人机界面。如下图1所示，利用Eye Doctor的信道仿真功能，可以用示波器测量到的TX端发送的波形，在Eye Doctor II中导入信道的S参数模型文件，计算出通过信道后RX端的信号波形、眼图与抖动，其功能类似于ED

3、A的SI仿真工具。  图1：力科眼图医生的信道仿真功能图示SPICE是Simulation Program with IC Emphasis的简写，在1972年由加州大学伯克利分校电机工程与计算机科学系发明，主要用于集成电路的仿真与分析。随着现代微电子工业的发展，商业化的SPICE软件不断涌现，其中，Synopsys公司的HSPICE是目前最常用的电路仿真软件。在GHz互连系统的信号完整性仿真中，IC制造商通常提供了高速收发器的加密的HSPICE模型，使用HSPICE仿真软件可以顺利的读取加密的HSPICE模型，而与信号完整性仿真相关的S参数模型和IBIS模型，HSPICE仿真器都可

4、以直接进行分析与计算，由于HSPICE软件良好的计算精度、收敛性和模型兼容性，所以，被业界公认为高速数字电路的信号完整性仿真的最好的工具之一。测试和仿真平台介绍对比分析的工作环境如图2所示：信号源为某PCIe显卡发送的2.5Gbps的信号，信道为某DEMO板上24英寸长的传输线，接收端为两个50欧的电阻。分别在三种情况下进行分析：1. 实测RX端波形：如图2所示，用示波器直接测量2.5Gbps的PCIe信号通过24英寸传输线后的接收端波形，示波器的两个通道都设置为50欧，即模拟差分100欧的负载。在三种情况对比中以此测试结果作为参考。2. 使用眼图医生仿真背板系统：PCIe显卡发送出的信号通过

5、SMA电缆连接到示波器，即直接测量发送端的波形，把背板（即24英寸传输线）的S参数文件调入眼图医生软件，仿真出该信号通过背板后的波形（即RX的波形）。3. 使用HSPICE仿真背板系统：PCIe显卡发送出的信号通过SMA电缆连接到示波器，即直接测量发送端的波形，保存波形为文本格式后，修改为HSPICE的PWL格式的信号源，放入HSPICE仿真器中作为驱动端，把背板（即24英寸传输线）的S参数文件调入HSPICE软件，接收端为2个50欧电阻，用HSPICE仿真出接收端上的电压波形（注：仿真使用的HSPICE版本为2008.03）。 图2： 背板实测连接图图3：24英寸长PCB走线为信道实验使用的

6、信道是24英寸线长的传输线，如下图3所示，传输线的两端有SMA连接头，可以用同轴电缆方便的连接网络分析仪或者示波器。使用了网络分析仪测试其S参数，扫频范围从10MHz到20GHz，频点间隔为10MHz。信号源的速率为2.5Gbps，重复发送码长（Pattern）为640个比特的数据，则一帧数据的时长为640乘以1个比特（400ps），即256ns。在示波器测试中，我们抓取了1000ns的数据，TX端测量到的波形保存为扩展名txt的文本格式，修改格式后用于HSPICE仿真的驱动源。如图4所示，左图为力科示波器保存的波形文件，右图为修改为HSPICE中的PWL格式的信号源，由于是差分信号，两路信号

7、分别命名为PCIe_TX_N.dat和PCIe_TX_P.dat后保存在与HSPICE网表同一文件夹，作为HSPICE网表的信号源来使用。 图4： 把力科波形文件修改为HSPICE的PWL格式 HSPICE的网表文件如下，共仿真了800ns时间，去掉了起始150ns的不稳定的波形：* Compare Eye doctor with HSPICE *.TRAN 50p 800n start=150n.print tran v(rx_p,rx_n).probe v(rx_p) v(rx_n)* RXRb rx_p gnd 50Rc rx_n gnd 50* Channels1 vinp

8、vinn rx_p rx_n gnd mname=smodel.model smodel s+ tstonefile="lattice_even.s4p" fbase=10e6 fmax=20e9 delayhandle=1* Stimulus signal is measured with LeCroy scope at TX side.* TX.include ''''''''''''''''PCIe_TX_N.dat''

9、9;'''''''''''''.include ''''''''''''''''PCIe_TX_P.dat''''''''''''''''*.end使用力科眼图医生来仿真RX端结果的操作非常简单（如图5所示），无需编辑网表文件，在图形用户界

10、面中可以调入S参数文件，观察仿真出来的RX端的波形。 图5：力科眼图医生界面 眼图医生与HSPICE仿真的结果分析下面将从仿真时间、精度方面做一个对比。1. 仿真时间HSPICE：在CPU P4 3.06G，内存DDR 1G的电脑平台上仿800ns长的波形花了约43分钟。Eye Doctor II：几秒钟内就计算出了50us长的波形，几乎可以做到实时测量、实时计算出结果。2. 仿真精度实测波形，HSPICE、Eye Doctor II仿真结果3者的波形对比如下： 图6：实测波形Vs HSPICE仿真 Vs Eye Doctor II图7：实测波形Vs HSPICE仿真图8：实测波形V

11、s Eye Doctor II对比发现，无论在低频还是高频码型，Eye Doctor II与实测RX的结果吻合得更好一点（见图8），而HSPICE在低频码型（长1或长0）时，仿真的信号幅度偏高，并且有回钩（见图7）。眼图医生软件在信道仿真的原理为：根据信道的S参数模型生成几个FIR滤波器（比如2端口S参数模型生成4个FIR滤波器，关于FIR滤波器可以在网上搜索“有限冲激响应 wiki”查询到相关知识介绍，输入信号与FIR滤波器的冲激响应卷积后即可得到通过信道后的输出信号（比如接收端的信号），其中FIR滤波器的准确性决定了信道仿真的精度，在眼图医生软件中，通过缺省的FIR滤波器优化算法，可以保证

12、在全频带的仿真结果接近实测结果。从图8的波形对比可以看到力科眼图医生的准确性。HSPICE中对于S参数模型在时域中进行计算，据笔者分析，可能也使用了FIR滤波器的方法，其FIR滤波器的参数跟S参数模型的调用语句中fbase紧密相关。Fbase较小时，IFFT的频点密集、频谱分辨率较高，FIR滤波器的时域冲激响应的点数比较密集，反之则FIR滤波器的冲激响应的点数比较稀疏。输入信号与前者进行卷积运算时比较耗时，与后者进行卷积运算时比较省时。是否Fbase越小，精度越高？答案是不一定。当Fbase较大时，可能对冲激响应的主脉冲之外一些矮脉冲欠采样，卷积后的计算结果更接近实测值。在图9中分别为fbas

13、e=30/40/50MHz时，HSPICE仿真出的接收端波形。可以看到fbase=50MHz时，低频的码型（长1或长0）幅度较低些，与实测RX端波形的比较接近。在使用HSPICE仿真时，fbase=50MHz时的仿真时间远小于最开始的频率设置（fbase = 10MHz）。在图10中，对比了fbase=50MHz时HSPICE仿真的RX端波形与实测波形，两者一致性比较好。通过这项实验说明在使用HSPICE进行S参数的信道仿真时必须准确合理的设置S参数文件的fbase，而力科眼图医生软件内嵌的优化算法可以自动设置信道的相关参数，得到比较精确的仿真结果。在对比实测RX波形、HSPICE仿真、眼图医生仿真三种情况时，如下一些因素导致了计算结果的差异：1. 实测RX波形时，信号源与信道连接使用了2根SMA同轴电缆，信道另一端与示波器连接又使用了2根SMA同轴电缆；而HSPICE和眼图医生仿真都是信号源与示波器用2根SMA同轴直接相连，没有考虑另外的2根SMA同轴电缆。2. HSPICE和眼图医生仿真时接收端为两个理想的50欧电阻，而另外一种情况实测接收端波形时负载是示波器的通道，尽管其阻抗为50欧，但是与理想的50欧电阻还是有区别的。 图9：HSPICE网表文件的S参数模型的fbase在不同设定时仿真结果图10：修改HSPICE网表文件的S参数模型fbase