千兆POF收發(fā)器設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性分析

朱立妙，郭淑琴，沈旭東，周淑芬

(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州310023)

0 引言

在高速PCB設(shè)計(jì)中，信號(hào)速率越來(lái)越高，信號(hào)邊緣速率越來(lái)越快，導(dǎo)致高速電路中的反射、串?dāng)_等信號(hào)完整性問(wèn)題變得越來(lái)越突出［1］。本文設(shè)計(jì)的千兆POF收發(fā)器，速度達(dá)到1.25GHz，在PCB的設(shè)計(jì)中必須考慮信號(hào)傳輸中的反射，串?dāng)_等問(wèn)題，根據(jù)微波理論中傳輸線(xiàn)的相關(guān)知識(shí)，利用Cadence軟件對(duì)傳輸線(xiàn)進(jìn)行匹配，以減小信號(hào)傳輸過(guò)程中信號(hào)的反射和串?dāng)_等問(wèn)題。

1 信號(hào)完整性分析的理論依據(jù)

高速信號(hào)在導(dǎo)線(xiàn)上進(jìn)行傳輸時(shí)，當(dāng)信號(hào)在走線(xiàn)上的傳輸時(shí)間大于電平跳變上升/下降時(shí)間的一半時(shí)，傳輸信號(hào)的載體就不能當(dāng)作普通的導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行分析，需要遵循傳輸線(xiàn)理論進(jìn)行分析［2］。簡(jiǎn)單的說(shuō)，傳輸線(xiàn)是由兩條有一定長(zhǎng)度的導(dǎo)線(xiàn)組成的，如圖1所示。

圖1 傳輸線(xiàn)模型

傳輸線(xiàn)傳輸高頻信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下分布參數(shù)效應(yīng)［3］:電流流過(guò)導(dǎo)線(xiàn)使導(dǎo)線(xiàn)發(fā)熱，表明導(dǎo)線(xiàn)本身有分布電阻;雙導(dǎo)線(xiàn)之間絕緣不完善而出現(xiàn)漏電流，表明導(dǎo)線(xiàn)之間處處有漏電導(dǎo);導(dǎo)線(xiàn)之間有電壓，導(dǎo)線(xiàn)間便有電場(chǎng)，表明導(dǎo)線(xiàn)之間有分布電容效應(yīng);導(dǎo)線(xiàn)中通過(guò)電流時(shí)周?chē)霈F(xiàn)磁場(chǎng)，表明導(dǎo)線(xiàn)上有分布電感效應(yīng)，綜上，傳輸線(xiàn)的模型由串聯(lián)的電感、電阻和并聯(lián)的電容組成，等效模型如圖2所示。

基于傳輸線(xiàn)理論分析的信號(hào)傳輸會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射、串?dāng)_、電磁輻射等一系列問(wèn)題。當(dāng)傳輸線(xiàn)上的阻抗出現(xiàn)不匹配時(shí)，在傳輸線(xiàn)上傳輸?shù)男盘?hào)有一部分會(huì)反射回源端［4］。在典型的數(shù)字系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗通常小于PCB互聯(lián)信號(hào)線(xiàn)的特征阻抗，而PCB互聯(lián)信號(hào)線(xiàn)的特征阻抗也總是小于接收器的輸入阻抗。這種阻抗的不連續(xù)性就會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)系統(tǒng)中信號(hào)反射的出現(xiàn)。由反射會(huì)引起傳輸線(xiàn)之間的串?dāng)_和電磁輻射問(wèn)題。

圖2 傳輸線(xiàn)等效模型

2 POF光電收發(fā)模塊的工作原理

POF光纖收發(fā)模塊由兩部分組成，如圖3所示，接收模塊由光檢測(cè)器、前置放大器和限幅放大器組成［5］。從光纖傳輸過(guò)來(lái)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大器轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，信號(hào)經(jīng)過(guò)限幅放大后以差分形式送給主板，其中激光接收器和激光發(fā)射器采用FIRECOMMS公司的EDL1000T，發(fā)射接收激光波長(zhǎng)為650nm。發(fā)射部分由激光器和驅(qū)動(dòng)芯片組成，從主板上傳過(guò)來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)激光驅(qū)動(dòng)芯片的調(diào)制以及激光器的電光轉(zhuǎn)換，從而轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)進(jìn)行傳輸。

圖3 千兆POF光纖收發(fā)器發(fā)射/接收模塊工作原理圖

3 收發(fā)模塊信號(hào)完整性仿真與分析

在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)于收發(fā)模塊的布局，首先需要考慮下面因素:

(1)在發(fā)射部分，為了減小噪聲干擾，應(yīng)使激光器和驅(qū)動(dòng)器盡可能的靠近，從而最大程度的減小耦合因素;

(2)光信號(hào)經(jīng)過(guò)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，首先經(jīng)過(guò)前置預(yù)放芯片MAX3744的放大(內(nèi)置在EDL1000T中)，再送入主放芯片MAX3748進(jìn)行進(jìn)一步的放大。但由于從MAX3744輸出的信號(hào)幅度很小，因此為了最大程度的減小干擾，必須使前放芯片和主放芯片盡可能地接近，這樣才能保證信號(hào)的準(zhǔn)確接收;

(3)定性的分析EMI理論后，各電源引腳的旁路電路應(yīng)該盡可能地靠近電源引腳。

考慮上述因素后的初步布局圖如圖4所示:

圖4 POF收發(fā)器PCB初步布局圖

在進(jìn)行仿真前首先必須確定好板子的層疊結(jié)構(gòu)，由MAX3748的芯片資料可知［6］，其差分線(xiàn)的單端輸出阻抗為50ohm，根據(jù)差分線(xiàn)理論，在沒(méi)有耦合的情況下，兩根平行的微帶線(xiàn)之間的差分阻抗等于單端阻抗的2倍，使用Polar Si9000軟件進(jìn)行層疊的設(shè)置，仿真層疊結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5100 ohm差分阻抗層疊設(shè)計(jì)

提取前置預(yù)放芯片MAX3744與限幅放大MAX3748之間的差分拓?fù)?，修改仿真參?shù)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及波形如圖6、7所示，可以看出，波形比較穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)較大的過(guò)沖、下沖和振鈴等現(xiàn)象，完全符合芯片手冊(cè)(220－400mVpp)的要求。

圖6 MAX3744與MAX3748差分線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖7 MAX3744與MAX3748差分線(xiàn)仿真波形圖

MAX3748與千兆網(wǎng)口之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，傳輸線(xiàn)設(shè)置為理想狀況下的無(wú)損傳輸線(xiàn)，如圖8所示，從圖8中可以看到，信號(hào)完全處于失真，發(fā)送出去的信號(hào)和接收到的信號(hào)完全不符合，造成以上問(wèn)題的原因主要有以下幾個(gè)方面:(1)由MAX3748芯片手冊(cè)可知，芯片的差分輸出端的阻抗為100ohm，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用的是默認(rèn)的50ohm單線(xiàn)阻抗，需要進(jìn)行差分線(xiàn)阻抗匹配設(shè)計(jì)，并使用上拉端接電阻進(jìn)行阻抗匹配;(2)對(duì)于連接器，使用的是軟件自帶的差分信號(hào)接收端模型，其處于高阻態(tài)，對(duì)于信號(hào)的反射十分嚴(yán)重，所以造成信號(hào)的失真，如圖9所示。

圖8 MAX3748與千兆網(wǎng)口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖9 MAX3748與千兆網(wǎng)口仿真波形

進(jìn)行差分阻抗匹配并且添加端接上拉電阻，進(jìn)行改進(jìn)后的差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示，仿真波形圖如圖11所示。從仿真波形可以看出，信號(hào)具有較好的完整性，符合要求。

圖10進(jìn)行差分線(xiàn)阻抗匹配后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖11 進(jìn)行差分線(xiàn)阻抗匹配后的仿真波形

對(duì)串?dāng)_進(jìn)行仿真，因?yàn)椴罘志€(xiàn)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)差分線(xiàn)和其他信號(hào)線(xiàn)之間的串?dāng)_進(jìn)行仿真，建立串?dāng)_拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖12所示，仿真波形如圖13所示。

圖12 串?dāng)_仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖13 串?dāng)_仿真波形圖

從圖13可以看出差分線(xiàn)因?yàn)槠浔旧硎抢民詈瞎δ軄?lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，從圖中的仿真可以看出，差分線(xiàn)的串?dāng)_振幅只有119.266mV，但是由于差分線(xiàn)的頻率很高，很容易干擾相鄰的信號(hào)線(xiàn)，從仿真拓?fù)浣Y(jié)果圖可以看出，這里把一對(duì)差分信號(hào)線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)一起加載仿真，信號(hào)線(xiàn)的振幅很大，達(dá)到了889.908mV，說(shuō)明差分線(xiàn)容易干擾其它信號(hào)線(xiàn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)PCB時(shí)必須對(duì)差分線(xiàn)設(shè)計(jì)采取保護(hù)措施，比如對(duì)差分線(xiàn)采取“包地”處理，盡量讓其它信號(hào)線(xiàn)遠(yuǎn)離差分線(xiàn)，采用“3W”布線(xiàn)準(zhǔn)則［7］。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)Cadence PCB SI工具對(duì)POF光纖收發(fā)器進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性分析，首先使用Polar Si9000軟件對(duì)差分線(xiàn)進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，根據(jù)軟件計(jì)算得出的結(jié)果對(duì)PCB的疊層進(jìn)行設(shè)置，然后進(jìn)行板級(jí)仿真，對(duì)阻抗失配的兩個(gè)器件采取端接上拉電阻的措施使之阻抗匹配，確保兩個(gè)失配元器件之間信號(hào)傳輸?shù)耐暾?最后本文對(duì)差分線(xiàn)和其它信號(hào)線(xiàn)之間的串?dāng)_進(jìn)行仿真分析，為不同信號(hào)線(xiàn)之間的走線(xiàn)距離提供可靠的依據(jù)。

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