引言
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,，數(shù)據(jù)的傳輸速度越來越快,，高速時(shí)鐘的應(yīng)用日益廣泛,，如何保證時(shí)鐘在高速跳變過程中的信號完整性、抖動,、功耗等問題,，已逐漸成為關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)方法大多依靠經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算,，但是隨著時(shí)鐘頻率越來越高,，時(shí)鐘的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，時(shí)鐘的傳輸線效應(yīng),、過沖／欠沖,、反射、振鈴效應(yīng),、趨膚效應(yīng)都成為影響時(shí)鐘設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素,，只有使用現(xiàn)代科技手段，利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力進(jìn)行仿真才能夠保證時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)成功,。 HyperLynx是Mentor(GraphICS開發(fā)的一款板級信號完整性的仿真工具,。它可以進(jìn)行損耗傳輸線的精確仿真，支持IBIS模型和HSPICE模型,，可以使用過孔模型,，允許多種激勵源，可以分析信號的眼圖,、抖動以及EMC(電磁兼容性)輻射,，用戶界面簡單直觀。
在目前的高速時(shí)鐘的電平標(biāo)準(zhǔn)中,，PECL(正電壓射極耦合邏輯)是應(yīng)用較廣泛的一種,，絕大多數(shù)高速ADC(A／D轉(zhuǎn)換器)、DAc(D／A轉(zhuǎn)換器)器件都支持這一時(shí)鐘電平,。本文敘述,。PECL的原理和常見端接方式，結(jié)合在ADc系統(tǒng)中的應(yīng)用,，使用HyperLynx工具對設(shè)計(jì)后的電路進(jìn)行仿真以驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想,。
l PECL工作原理
PECL由EcL(射極耦合邏輯)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來，在PECL電路中省去了負(fù)電源,，較EcL電路更便于使用,。PECL信號的擺幅相對EcL要小，這使得該邏輯更適合于高速數(shù)據(jù)的串行或并行連接,。
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PECL輸出極如圖1所示,。
差分對管的射極通過電流源連接到地，差分對管驅(qū)動一對射隨器以提供正,、負(fù)輸出,。輸出射隨器工作在正電源范圍內(nèi),，其電流始終存在，這樣有利于提高開關(guān)速度,。LVPECL(低電壓。PECL)輸出極的標(biāo)準(zhǔn)輸出負(fù)載是接50 Ω電阻至 Vcc一2 V的電平,，在這種負(fù)載條件下,，由于射隨器的基極一射極有0．7 V壓降，故輸出+與輸出一的靜態(tài)電平典型值為Vcc一1．3 V,，0．7 V壓降加在50 Ω終端電阻上的電流為14 mA,，可知輸出+與輸出一電流為14 mA。PECL結(jié)構(gòu)的輸出阻抗典型值為4 Ω～5 Ω,，表明它有很強(qiáng)的驅(qū)動能力,。
2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
下面根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先從時(shí)鐘的發(fā)送端(輸出)和接收端(輸入)各自的特性著手進(jìn)行設(shè)計(jì),。
2．1時(shí)鐘輸出結(jié)構(gòu)
時(shí)鐘輸出端由時(shí)鐘扇出芯片ICS853011的一對輸出引腳擔(dān)任,。ICS853011是一款將任意差分時(shí)鐘扇出為兩路PEcL電平的時(shí)鐘扇出芯片，其原理見圖2,。
當(dāng)其供電電壓為3．3 V時(shí),，其輸出電氣特性如表l所示，輸出高電平在2．295 V左右,，輸出低電平在1．52 V左右,，輸出峰峰值約為800 mV。
2．2時(shí)鐘輸入結(jié)構(gòu)
ADS5463的時(shí)鐘輸入特性如圖3所示,。
由圖3可看出時(shí)鐘的輸入幅度和共模電壓與ADC信噪比的關(guān)系,，當(dāng)輸入時(shí)鐘為300 MHz時(shí)，只有峰峰值大于O．5 V,、小于3．5 V,，共模電壓大于1 V、小于3．5 V才有最佳的信噪比指標(biāo),，LVPECL電平的共模電壓為Vcc一1．3 V="3"．3 V-1．3 V="2" V,，典型峰峰值700 mV，剛好滿足ADS5463對時(shí)鐘的要求,。ADS5463在時(shí)鐘輸入端由內(nèi)部電阻將時(shí)鐘輸人共模電壓偏置到2．4 V,，這與發(fā)送端的共模電壓不同，故采用交流耦合是最好的方式,。時(shí)鐘電路初步設(shè)計(jì)見圖4,。
如圖4所示，在ICS8530ll的每個(gè)輸出端都并聯(lián)了一個(gè)142 Ω的電阻到地,，這個(gè)電阻的作用是：由于輸出共模電壓固定在Vcc一1．3 V="2" V,，為了使輸出電流維持在14 mA,，故直流偏置電阻值選擇2 V／14 mA="142" Ω，實(shí)際選取時(shí)可選擇140～200 Ω,。此時(shí)雙端傳輸線特性阻抗為50 Ω,。
3電路仿真
下面打開HyperLynx，將上述電路導(dǎo)入其中的LineSim工具下,，該工具是HyperLynx的一個(gè)子工具,，主要用來進(jìn)行傳輸線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真，可以對不同端接方式下的信號完整性進(jìn)行分析,。LineSim中的傳輸線模型構(gòu)筑如圖5所示,。
圖5中的傳輸線模型由發(fā)送端、線阻抗,、路徑上的相關(guān)器件與接收端組成,。發(fā)送端和接收端的仿真模型是一種IBIS仿真文件。IBIS是對輸入輸出端口的電氣特性快速準(zhǔn)確建模的方法,，是反映芯片驅(qū)動和接收電氣特性的一種國際標(biāo)準(zhǔn),，它提供一種標(biāo)準(zhǔn)的文件格式來記錄如驅(qū)動源輸出阻抗、上升／下降時(shí)間及輸入負(fù)載等參數(shù),，非常適合用于振蕩和串?dāng)_等高頻效應(yīng)的計(jì)算與仿真,。這里選擇發(fā)送端為ICS85301l的模型，而接收端為ADS5463的模型,，圖中線路阻抗選擇50 Ω,，兩個(gè)輸出端并聯(lián)到地的電阻為142 Ω，線路上的隔直電容為100 nF,。
輸入激勵設(shè)置為．500 MHz,、占空比為50的時(shí)鐘源，在LineSim的數(shù)字示波器的仿真結(jié)果窗口中顯示的波形如圖6和圖7所示,。
圖6和圖7顯示的是信號的差分值,。可以看出,，信號在發(fā)送端的失真還可以接受,，但是在接收端的波形出現(xiàn)了較嚴(yán)重的振鈴現(xiàn)象，其原因可能是：傳輸線阻抗和負(fù)載阻抗不匹配,，導(dǎo)致信號發(fā)生反射,，引起振鈴現(xiàn)象；端接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不對,，采用了錯誤的端接方式,。 傳輸線理論中對于振鈴現(xiàn)象原因的分析是：當(dāng)傳輸線阻抗大于信號源阻抗時(shí)，信號源段反射系數(shù)為負(fù)值，這時(shí)將產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象,。結(jié)合本電路分析,，由于信號源阻抗是ICS853011內(nèi)部的輸出射隨器的輸出阻抗，約為4 Ω,，而此時(shí)的傳輸線阻抗為50 Ω,，過強(qiáng)的驅(qū)動能力導(dǎo)致負(fù)載端出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。
消除振鈴現(xiàn)象的方法有降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率,、縮短傳輸線長度,、采用正確的端接方式3種。由于本系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率是固定的,，而傳輸線長度又由PCB(印制電路板)的物理布局所限定，故只有采用正確的端接方式最為經(jīng)濟(jì)靈活,。常見的端接方式有源匹配和負(fù)載匹配,，下面介紹這兩種方法的原理。
源匹配要求為輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻,，使源阻抗R,。等于線路阻抗Z。,，串聯(lián)后,，源反射系數(shù)等于0，從而消除了負(fù)載上的反射信號,。換言之,，串聯(lián)的電阻吸收了發(fā)射的信號。本電路改進(jìn)后如圖8所示,，在輸出端串聯(lián)了一個(gè)的電阻Rs,，Rs=z0一R0=50-4=46 Ω，串聯(lián)后的接收端波形見圖9,。從圖9可看出,，串聯(lián)一個(gè)電阻后，接收端的波形得到了很大改善,。但是這種方式稍微減小了接收波形的幅度值,。但總的來說，信號還在ADC的接受范圍內(nèi),，不會對ADC性能有較大影響,。
為了不衰減時(shí)鐘信號的幅度，另一種較好的匹配方式是終端匹配,。終端匹配的原理是在走線路徑終端并聯(lián)一個(gè)電阻RL在接收端負(fù)載上,，使總的負(fù)載ZL=Z0，從而使反射系數(shù)，以消除反射,，在這里采用交流負(fù)載匹配,，即由一個(gè)電阻RL串聯(lián)一個(gè)電容CL然后并聯(lián)到原接收端負(fù)載上，這樣相比單接一個(gè)電阻最大的好處是可以降低直流功耗,。改進(jìn)的電路如圖10所示,。
圖11所示為由HyperLynx的仿真波形，可見這種方式也改善了接收端波形,，同時(shí)減少了直流功耗,。
在實(shí)際的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)中，不僅需要考慮端接方式和器件值大小,，還需要考慮器件的擺放,，如端接電阻和必須盡可能靠近接收端、源電阻必須盡可能靠近發(fā)送端,、器件與走線方向一致等,；同時(shí)，布線必須嚴(yán)格按照差分規(guī)則,，保證兩差分線之間間距相等,、兩線線長相等，與周圍高速數(shù)字線保持2倍以上的線間距,，只有這樣才能最終實(shí)現(xiàn)高性能的時(shí)鐘設(shè)計(jì),。
4結(jié)束語
在高速時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)中，信號完整性問題一直是困擾設(shè)計(jì)人員的問題,，本文提出的PECIL高速時(shí)鐘設(shè)計(jì)是在ADC設(shè)計(jì)中成功與否的關(guān)鍵因素,。通過HyperLynx仿真，可以在最大程度上避免設(shè)計(jì)中的信號完整性問題,。本時(shí)鐘設(shè)計(jì)已在PcB實(shí)物上得到驗(yàn)證,，取得了與仿真一致的效果，證明使用 HyperLynx輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行關(guān)鍵時(shí)鐘路徑的設(shè)計(jì)是可行的,。