利用精准PCB级SPICE分析确保信号完整性

经由过程一个3200Mbps LPDDR4接口将一个利用场置惩罚器连接至DRAM芯片,其难度不亚于2600MHz 4G LTE天线的布线事情。虽然RF前端采纳了陶瓷封装,并在各个抗电磁滋扰模块中进行了精心布线,但数字旌旗灯号会穿过球栅阵列封装和高密度小型印刷电路板(PCB),从而使它们更轻易受到高频影响。跟着数据速度增至以致越过千兆范围,PCB印制线不能再被视为简单的导体。铜印制线的寄生电阻电容电感使其成为一条传输线,从而孕育发生数字设计中平日不去斟酌的种种高频效应。例如,因为集肤效应,旌旗灯号的高频因素要比低频因素经历更大年夜的衰减,从而导致旌旗灯号掉真。平行铜印制线之间的电感和电容会导致串扰,而大年夜开关电流会导致接地反弹。误码率(BER)将会上升,由于更多比特将被解析为“0”或“1”。是以,为了确保旌旗灯号完备性,必要对PCB印制线的传输线效应以及封装、连接器电缆的频率相应进行周全阐发。经由过程削减PCB原型设计与丈量的大年夜量迭代次数,精准的PCB级SPICE阐发可节省光阴和金钱。

图1显示了一个内存接口,它是多千兆芯片间通信的一个典典范子。相同的观点也适用于USB 3.0、HDMI、多千兆Ethernet设备等高速串行I/O。通信通道由芯片的I/O模型、封装、连接器及电缆的散射参数(S参数)模型以及印制线的损耗耦合传输线模型构成。I/O模型由芯片厂商供给。简单的I/O缓存器可以用IBIS模型正确表示。配备有源预加重和均衡功能的加倍繁杂的I/O电路平日采纳颠末加密的晶体管级HSPICE网表的形式,或者采纳源于晶体管级表示的IBIS-AMI模型。作为晶体管级仿真的黄金参考模型,HSPICE应用颠末晶圆厂认证的晶体管模型供给最为正确的I/O电路行径。不仅如斯,大年夜多半芯片厂商应用HSPICE来验证他们的IBIS和IBIS-AMI模型。是以,在电路板一级应用HSPICE最相符芯片厂商的意图。对付IBIS-AMI模型而言,HSPICE具备独特上风,除了逐比特和统计眼图模式之外,它还能在真正的瞬态模式下模拟这些模型。

图1:用于旌旗灯号完备性阐发的范例系统设置设置设备摆设摆设。

PCB印制线的损耗耦合传输线可以采纳多种措施提取,此中最简单的措施便是应用HSPICE W元件。W元件读入PCB的属性和平行印制线的尺寸,然后应用一个内置的2D解算器提取传输线相应。该模型能够正确表示与频率有关的损耗和耦合,而且不限定耦合线路的数量,可确保系统的被动性和因果关系。大年夜多半PCB结构对象能够提取印制线几何图形,并在HSPICE网表中自动天生W元件模型。第三方准静态2.5D场解算器也可用于天生PCB印制线的宽带模型。取决于所应用的场解算器,这些模型能够以RLGC表的形式被插入到W元件中。对付症构造造,全波长解算器可用于提取PCB印制线的频率相应,即S参数,后者也可用作W元件的输入。

封装、连接器及电缆的S参数模型由组件厂商供给,或由一个收集阐发仪丈量,或由一个3D电磁场解算器提取。无论哪种环境,S参数模型都能供给一个靠得住的组件线性表示,将其散播式本色以及任何与频率相关的行径斟酌在内。经由过程察看史密斯图上的S参数,可以深入懂得这些散播式系统,跨越应用电路图中的集总元件所能获取的信息。然则,这里存在一个寻衅。S参数是频率域模型,蓝本是为RF和微波设备而发现的,而数字多千兆系统的旌旗灯号完备性阐发主如果在光阴域中进行的。HSPICE S元件采纳最先辈的自动有理函数模型天生技巧降服了这个寻衅。此外,HSPICE经由过程支配多时延增强型有理函数模型,捕获长达数米的数据线(如HDMI线)的繁杂高频行径。HSPICE使用今世处置惩罚器中的并行谋略技巧正确高速地模拟大年夜型(500端口以上)S参数模型。除了在电路仿真中应用S参数以外,HSPICE还支持多端口线性收集阐发(.LIN),它可以从随意率性电路类型提取S参数。

图2:与S参数打交道不仅仅是进行瞬态阐发。

S参数模型的机动性和靠得住性无意偶尔会因某些S参数质量欠缺而下降。低质量的S参数模型有可能孕育发生较差的仿真结果。质量问题包括但不限于:违反被动性、粗拙的频率抽样和较窄的频率带宽。例如,某个S参数模型的肇端频率有可能很高,以至于无法捕获低频瞬态行径;或者其停止频率有可能很低,以至于无法捕获数字转换的高频因素。HSPICE包孕一个自力的S参数实用法度榜样,它能够采纳不合的措施操作S参数,以确保S参数模型的质量。图2显示了HSPICE若何整合采纳多端口线性收集阐发(.LIN)的S参数提取、采纳瞬态阐发(.TRAN)的S参数仿真以及采纳S参数实用法度榜样(SPUTIL)的S参数质量包管。

图3:应用HSPICE S参数实用法度榜样(SPUTIL)反省阻抗匹配。

SPUTIL供给浩繁便捷的S参数操作技巧,例如,合并多个数据文件、被动性反省或履行、使用机动的频点规范从新采样、文件款式转换等。例如,阻抗匹配是高速通道设计的一个紧张要求。测试阻抗匹配的最快措施便是应用不合的参考阻抗察看S11。如图3所示,SPUTIL供给一种便捷的措施,应用一个简单脚本转换某个S参数集的参考阻抗。然后,经由过程察看史密斯图上的S11图找出最小的S11值,从而为设计通道终端阻抗供给一个优越的动身点。

对付旌旗灯号完备性阐发中所应用的各类组件和模型的评论争论到此停止,现在开始评论争论各类阐发技巧。眼图阐发技巧被广泛用于评估高速通信通道。眼图将一个长数字比特序列的单位光阴距离叠加为一个紧凑形式,便于人们对系统进行皮秒级察看。天生被测目标系统的一个眼图、反省眼图开口和丈量作为累计概率的BER是通道合规测试的症构造成部分。

HSPICE供给不合的技巧,用于阐发不合仿真速率和精度的眼图。评估多千兆系统的BER要求阐发数百万个单位光阴距离。对这些长比特流进行瞬态阐发必要消费几个小时的光阴,并孕育发生很大年夜的数据文件。可能必要数千次仿真才能覆盖通道优化设计。在HSPICE中天生逐比特和统计眼图将仿真光阴从几个小时缩短至几秒钟,从而大年夜幅提高通道设计效率。

HSPICE采纳正确的瞬态阐发谋略出浩繁小比特模式的脉冲相应,然后应用统计措施迅速天生眼图,即概率密度函数(PDF)图,将所有可能的比特模式斟酌在内,如图4所示。HSPICE经由过程察看眼图的垂直和水平横截面,自动提取哆嗦曲线。此外,HSPICE还根据PDF眼图自动天生误码率(BER)图。然后,可以经由过程提取BER的截面图察看浴缸曲线。HSPICE还捕获特准时候的最短比特模式,它再现了最里面—换句话说“最坏的”—眼图碎片。在接下来的短瞬态阐发中应用这个最坏的比特模式,就可以阐发出眼图闭合的缘故原由,然后改进设计。HSPICE能够提取详细比特地位的光阴域波形,该技巧可用于验证自适应均衡器设计。

图4:HSPICE统计眼图阐发。

逐比特眼图阐发采纳一种快速瞬态技巧为特定的比特模式天生眼图,而且所需光阴仅为瞬态阐发的几分之一,对付通道设计异常有用。瞬态阐发可为签核供给最正确的眼图。在光阴域瞬态阐发中HSPICE支持所有类型的I/O模型,此中包括算法模型(IBIS-AMI)以及与频率有关的元件。并行谋略技巧被用于加快超长比特序列的仿真速率,同时又不就义正确度。

HSPICE具备一种独特能力,能够混用和匹配种种阐发技巧和模型,以便最好地匹配每一个通道设计和合规测试阶段。如图5所示,HSPICE将通道视为一个黑盒子,让用户能够放入随意率性组合的有源和无源设备。HSPICE还支持各类不合的发射器和接管器表示。例如,发射器可所以一个晶体管级I/O电路,而接管器可所以一个IBIS-AMI模型,反之亦然。在早期设计阶段,可以采纳快速统计眼图阐发评估与模式无关的发射器加重。对付此类阐发,IBIS-AMI模型在发射器侧应用,只是为了使接管器成为一个抱负化的接管器终端。跟着设计的赓续演进,可以采纳逐比特仿真将抱负化的接管器调换为一个算法模型,以便测试自适应均衡器若何经由过程调剂其参数实现最大年夜的眼图开口。然后,从逐比特阐发切换至周全的瞬态阐发,可以捕获通道中可能呈现的任何非线性效应。在着末的验证阶段,很有可能应用到发射器和接管器缓存的全晶体管表示。HSPICE能够在同一个测试台上运行所有这些阐发。

图5:在统计、逐比特和瞬态眼图阐发中结合应用AMI和晶体管级模型。

责任编辑:gt

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