.Проектирование устройств и систем с высокоскоростными соединениями

Interface) это устранено, хотя и не является обязательным. Например, модель, удовлетворяющая версии 5 спецификации, может не содержать токов по питанию, но содержать описание поведения схемы прекомпенсации.

В табл. 4.1 приведены результаты сравнения наиболее про-

двинутой модели SPICE – HSPICE и IBIS.

4.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ

Короткие линии передачи иногда моделируются как последовательность сопротивлений, конденсаторов и индуктивностей. Модели этого типа иногда поставляют производители соединителей, а SI-инженеры иногда создают такие модели для переходных отверстий.

Сопротивления в модели представляют потери (рассеяние) сигнала в проводнике и диэлектрике. Фактически все современные версии SPICE содержат модели линий передачи без потерь и модели линий передачи с потерями на одной частоте. Есть более эффективные с точки зрения вычислимости и удобные в применении модели, чем просто RLC-схемы. Они приведены в табл. 4.2, где R – сопротивление, L – индуктивность, C – емкость и G – проводимость.

Элемент T может быть использован для высокочастотных импульсов, когда потери небольшие (это означает, что линия передачи в электрическом смысле является короткой). В большинстве реализаций SPICE элемент T моделирует только простой проводник, таким образом, взаимодействие между трассами (перекрестные помехи) и дифференциальные пары не могут быть смоделированы.

Линию с потерями представляет элемент O, определяемый значениями емкости, индуктивности, последовательного сопротивления (потери в проводнике) и шунтирующей проводимости (диэлектрические потери). Значения сопротивления (R) и проводимости (G) неизменны при изменении частоты. Модель линии будет наиболее точной для одной частоты, для которой специфицированы R и G. Таким образом, элемент O можно наилучшим

102

образом использовать для синусоидального сигнала, но не для цифровых импульсов. Как и T, элемент O моделирует один сигнал и не может быть использован для моделирования перекрестных помех и дифференциальных пар.

Есть поставщики, которые поддерживают элемент W, моделирующий передачу сигнала по нескольким проводникам с потерями, и значения параметров элемента автоматически изменяются с изменением частоты. Симулятор вычисляет новые значения величин проводника и диэлектрика (R и G) для разных частотных составляющих сигнала. Эта модель позволяет учесть потери в потоке импульсов, у которых меняется скорость нарастания фронтов и длительность импульса (что может быть вызвано отражением сигнала). Модель может представлять как отдельный проводник, так и шину, что означает возможность моделирования перекрестных помех и дифференциальных пар.

На рис. 4.3 и 4.4 приведены примеры эквивалентных электрических схем, лежащие в основе моделей трасс печатной платы.

Рис. 4.3. Электрическая модель печатного проводника – близко расположенные элементы с сосредоточенными параметрами

Рис. 4.4. Модель взаимодействие между трассами 1, 2 и 3. Паразитные элементы L и C моделируют взаимовлияние

103

Рис. 4.5. Взаимные емкость Cm и индуктивность Lm, вызывающие слабый ток в «жертве»

Рис. 4.5 иллюстрирует модель перекрестной помехи (паразитная передача сигнала от одной линии к другой соседней линии). NEXT и FEXT-значения перекрестных помех – соответственно на ближнем и дальнем конце.

4.3. S-ПАРАМЕТРЫ

Взаимосвязи, включая трассы, переходные отверстия или выводы соединителя, могут быть смоделированы в частотной области с помощью S (Scattering)-параметров – элементов матрицы рассеяния многополюсника. Первоначально S-параметры появились в радиотехнике, но сейчас они обычно используются

вприложениях с высокоскоростной последовательной передачей сигналов.

Для расчета каскадных схем успешно используются ABCD-параметры, представляющие двухпортовую схему (рис. 4.6)

втерминах входных и выходных токов и напряжений. Эти параметры определяются для случаев обрыва и короткого замыкания порта 2, т.е. не могут быть измерены напрямую. Поэтому они вычисляются из S-параметров, которые могут быть измерены напрямую, без обрывов и коротких замыканий. На рис. 4.7 показана связь ABCD и S-параметров [6].

104

Рис. 4.6. ABCD-параметры

Рис. 4.7. Связь ABCD и S-параметров (Zn – терминальный импеданс)

На рис. 4.8 приведена схема измерения и вычисления S-па- раметров (случай двухпортовой схемы) [7], где:

•Vi,reflected, Vi,incident – напряжение отраженной и па-

дающей волны на входе;

•Vo,reflected, Vo,incident – напряжение отраженной и па-

дающей волны на выходе.

Нижние индексы в Smi показывают, какая терминальная пара измеряется (m), а какая генерирует сигнал (i):

•S11 – коэффициент отражения по входу (генерация волны

инаблюдение отражения в порту 1) или потери отражения; показывает, какая часть сигнала отражается обратно в генератор;

•1/S11 – возвратные потери по входу;

•S21 – прямой коэффициент пропускания (измерение волны в порту 2 и генерация в порту 1) или вносимые потери; показывает, насколько ослабляется сигнал между портами 1 и 2;

•S22 – коэффициент отражения по выходу;

105

Рис. 4.8. Схема измерения и вычисления S-параметров

•1/S22 – возвратные потери по выходу;

•S12 – обратный коэффициент пропускания (развязка).

S-параметры показывают суммарный сигнал, возникающий между портами, и степень, с которой синусоидальная волна от источника сигнала с известным импедансом (базовый импеданс) отражается (рассеивается) каждой парой портов (окончаний). Это означает, что модель S-параметров выявляет потери, неправильный импеданс (вызывает отражение) и взаимовлияние портов (перекрестные помехи трасс).

На рис. 4.9 приведен пример двухпортовой схемы, моделирующей трассу, проходящую над плоскостью земли печатной платы. Взаимосвязь линии передачи и переходных отверстий одинакова в обоих направлениях, так что для трасс S21 = S12

иS11 = S22. Для линии передачи без потерь S21 и ее двойник S12 равны 0. Это означает, что нет потери энергии сигала в линии, соединяющей передатчик и нагрузку. На рис. 4.10 приведен пример модели для каскадного соединения переходного отверстия

илинии передачи [6].

Вмодели S-параметров коэффициенты сводятся в таблицу, упорядоченную по частоте (совокупность матриц рассеяния),

и представляются двумя величинами – амплитудой и фазой. В табл. 4.3 приведен пример S-параметров амплитуды полосковой линии шириной 0,11 мм, длиной 15 см, материал FR4, 50 Ом согласование.

Из табл. 4.3 видно, что вносимые потери на частоте 1 ГГц составляют −1,3 дБ и увеличиваются до −4,7 дБ на частоте 2,5 ГГц. Потери в 1,3 дБ означают, что выходная величина составляет только около 86 % от входной величины. Сигнал ослаб-

106

лен на 14 %. Около 41 % теряется при 4,7 дБ. На частоте 2 ГГц затухание становится больше 3 дБ, а этот порог определяет полосу пропускания сигнала. Следовательно, полоса для трассы из примера составляет 2 ГГц.

Рис. 4.9. Двухпортовая модель трассы и земляной плоскости. S11 – в порту 1 сигнал одновременно генерируется и измеряется. S21 – в порту 2 сигнал измеряется, а порт 1 генерирует сигнал. В обоих случаях порт 1 терминирован и управляется опорным импедансом RR

Рис. 4.10. S-параметры каскадного соединения переходного отверстия и линии передачи

107

Потери отражения (S22 и S11) косвенно показывают, чем импеданс линии передачи отличается от опорного импеданса. Большое отрицательное значение в децибелах представляет малое отличие. Так, например, −26 дБ представляет отклонение импеданса на 5 % (подходит для низких и средних скоростей), а −46 дБ – на 0,5 %.

4.4.МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ S-ПАРАМЕТРОВ

Рассмотрим моделирование в Cadence линии с известными S-параметрами. Импульсная характеристика h(t) связана с S-пара- метрами соотношением

h(t) = F–1{S(w)},

где F–1 – обратное преоразование Фурье.

На рис. 4.11 приведена схема вычисления реакции линии передачи на последовательность ипульсов кода NRZ.

В Cadence компонент Nport представляет файлы S-парамет- ров (рис. 4.12) для импульсной характеристики. Символ n4pot находится в analogLib. Файл S-параметров задается в виде пути к директории, как изображено на рис. 4.13.

На рис. 4.14 показано использование компонента n4pot для моделирования импульсной переходной характеристики линии, где R0 и R1 – ее терминальные сопротивления; V0 и V1 – генераторы одиночных импульсов с соответствующими параметрами. На рис. 4.15 представлены результаты моделирования.

Определим реакцию этой схемы на псевдослучайную последовательность (PRBS) в коде NRZ. Генератор PRBS находится

108

в ahdlLib под именем rand_bit_strem. Установим для примера 7-разрядную псевдослучайную последовательность длиной 128 бит. На рис. 4.16 показаны модель линии из предыдущего примера с PRBS-генератором и временная диаграмма результатов моделирования для скорости передачи 2 Гбит/с. По результатам моделирования может быть составлена глаз-диаграмма (рассматривается в следующей главе) для выявления наихудшего случая передачи сигналов.

Рис. 4.11. Схема вычисления реакции линии передачи

Рис. 4.12. Выбор файла S-параметров

109

Рис. 4.13. Модель линии в Cadence

Рис. 4.14. Результаты моделирования линии на рис. 4.12

Рис. 4.15. Выбор генератора PRBS

110