1、武汉理工大学硕士学位论文千兆SFP光纤收发器电路仿真分析与研究 姓名：王桂琼申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统 指导教师：陈伟 20040501茎坚里王查兰堡圭堂垡堡茎摘要小型封装可热插拔式光纤收发模块（，简称）具有小型化、可热插拔和自诊断等功能。然而，其技术实现难度也相应加大，要在很小的面积上集成光检测器、放大器、激光器、驱动 器以及各种告警、监测控制信号电路，而且数据传输的速率达到，就必须考虑信号完整性问题的系列闽题。要解决信号完整性问题，人们越来越依赖于采用基于信号仿真的一体化设计，其基本思想为利用仿真技术，在产品设计早期尽可能的解决信号完整性问题，提出满足信号完整性要求、时序要求、
2、要求，并满足加工制造与测试的总体方案和设计准则，最大限度地降低产品成本，缩短研发周期。 为了更好的对电路进行仿真分析，本文在查阅大量国内外文献的基础上，对高速电路设计理论和信号完整性作了详细的讨论。主要对涉及高速电路中的几个基本理论、电路原理进行分析，在此基础上对仿真的模型进行了研究，重点对引起信完整性的反射、串抗等问题的原因、现象、解决办法作了理论上的分析，为分析仿真过程中出现的各种现象和提出解决方案提供了理论依据。 对于光收发模块电路板的设计，文中采用软件的互连设计平台进行设计。主要进行了板级的前仿真和后仿真。并采用约束规则驱动布线的方法进行了电路的板级仿真分析。 由于影响信号完整性的因素
3、是多方面的，是相互交错的，本文在理论分析基础上主要介绍了光收发模块的差分输入输出线影响信号完整性的反射、串扰等几个方面的仿真分析项目。在对电路进行分析的基础上，通过仿真对布局布线进行调整，从而使得信号的质量达到最优化，保证了信号的完整性。关键词：仿真，高速电路，信号完整性，亟堡里兰查兰堡主堂鱼丝奎 （）， ， ， ， ， ：，茎堡墨！：奎堂堡主堂堡篓苎 第章绪论课题 研究的目的和意义随着电子电路技术的不断发展，通信用电路的工作频率越来越高，高速数字电路的信号完整性问题越来越成为电路设计工程师不可回避的问题。高速数字电路方面的问题突出体现为以下的类型：）时序问题总是第一位的，工作频率的提高和信号
4、上升下降时间的缩短，首先会使设计系统的时序裕量缩小甚至出现时序方面的问题。）传输线 效应导致的信号震荡、 过冲和下冲都会对设计系统的故障容限、噪声容限以及单调性造成很大的威胁。）信号沿时间下降到以后，信号之间的串扰就成为很重要的一个问题。）当信号沿的时间接近时电源系统的 稳定性问题和电磁干扰（）题也变得十分关键。 高速信号是由信号的上升边沿速度决定，为信号上升时间；为信号线传播延时： 当：，为安全区域；当： ，信号落在不确定区域当：，信号落在问题区域。对于落在不确定区域及问题区域的信号，会出现信号质量的突变。一般认为上升时间小于倍信号传输延迟时可视为高速信号，应该使用高速数字电路和高速数字布线
5、的方法。 信号完整性（，简称）是信号在 电路中能以正确时序和电压做出响应的能力【。通俗地说，可以理解为信号的质量。信号完整往问题的影响主要包括：接口反射、串扰、地平面反弹噪声、和电源完整性等等。开关速度高、端接元件的布局不正确或高速信号的错误布线都会引起问题。随着电子技术和计算机技术的发展，信号速率不断提高。近年来，随着高速电路的迅速发展，高速芯片和器件越来越被广泛使用，信号完整性问题变得越来越突出，越来越引起关注。高速数字信号完整性是表明信号通过信号线传输后仍保持其正确的功能特性，信号在电路中能武汉理工大学硕士学位论文以正确的时序和电压做出响应。由的时序可知，如采信号在稳态时间（为了正确识别
6、和处理数据要求在时钟边沿前后输入数据保持不变的时间段）内发生了较大的跳变，就可麓误判或丢失部分数据。若信号具有良好的信号完整性，则电路具有正确的时序关系和信号幅度，数据不会出现错误的捕获，意味着收端能够得到比较纯净的数据。相反，若出现误触发、阻尼振荡、过冲、欠冲等信号完整性故障，就会引起任意的信号跳变，导致输入的畸变数据被送入锁存，或在畸变的时钟跳变沿捕获数据，信号不能正常响应，导 致系统工作异常，性能下降。在高速系统中，一段导体不仅仅是导体，也己成为具有分布参数的传输线。对 此， 电 路设计工程师和 设计工程师已不能回避。能否处理好系统的信号互连，解决信号完整性的问题，是系统设计成功的关键。
7、同时，信号完整性也是解决电源完整性、电磁兼容与电磁干扰（）问题的基础和前提。国内外研究的现状及动态目前信号完整性工程还是一门尚未成熟的学科，其分析方法和实践都还没有很好的定义 还处于不断的探索阶段。在基于信号完整性计算机分析的设计 方法中，最 为核心的部分就是板级信号完整性模型的建立，这是与传统的设计方法的主要区别之处。模型的准确性将决定设计的正确性，而模型的可建立性则决定了这种设计方法的可行性。在电子设计中已经有多种可以用于板级信号完整性分析的模型。其中最为常用的有三种，分别是、和本文主要采用和作为仿真模型进行分析。高速数字信号完整性分析的前提是仿真模型的建立，但要对信号完整性的综合分析还必
8、须有一个有效的一体化设计的仿真平台。目前国外己经有多种相关仿萁软件，如：系列软件、软件、系列软件、软件、软件和等，它均是通过建立裙关模型，采用不同的分析方法，从不同角度对高速信号完整性问题的某些方面的具体分析。本文选作为一体化设计的仿真平台。国内高速数字信号完整性的研究应用相对而言比较滞后，国内只有为数武汉理工大学硕士学位论文不多的几家公司，如深圳华为、深圳中兴、武汉烽火公司等在进行高速设计信号完整性方面的探索。课题研究工作及论文主要内容本课题的研究工作主要基于小型可热插拔（，简称）的光收发模块和软件平台来开展工作。由于该光收发模块的工作频率高达，体积很小，各个信号之间很容易在扳上形成干扰，从
9、而侵系统不能正常工作。而软件在电路设计方面有强大的功能，能够在原理图的阶段实现电路功能的仿真，在布板前、布板后进行板级仿真，从而达到最优化的设计效果。针对上述情况，本文主要研究了在互连设计软件平台中，如何利用高速电路设计和信号完整性的理论，采用仿真分析的方法，对千兆光收发模块进行板级设计分析，从而使电路性能达到最优化。茎堡墨三奎堂塑圭鲎垡适塞第章仿真设计的必要陛及仿真 软件的性能比较电路仿真设计的必要性在传统的设计流程中，的设计依次由电路设计、版图设计、制作、测量调试等步骤组成。其设计流程是单循环的（如图）“。 图 传统 的电路设计流程在电路设计阶段，对信号由于缺乏有效的在实际扳上的传输特性的
10、分析方法和手段，电路的设计一般只能根据元器件厂家和专家建议及过去的设计经验来进行。所以对于一个新的设计项目而言，通常都很难根据具体情形作出信号拓扑结构和元器件的参数等因素的正确选择。 在版图设计阶 段，同 样因为很难对板的元器件布局和信号布线所产生的信号性能变化作出实时分析和评估，所以版图设计的好坏更加依赖于设计人员的经验。在板制作阶段，由于各板及元器件生产厂家的工艺不完全相同，所以板和元器件的参数一般都有较大的公差范围，使得板的性能更加难以控制。传统的设计方法事实上是一种问题补救法，其致命弱点是流程中没有控制点，设计过程不可控；设计进度、设计质量过分依赖于设计人员的经验；设计结果不可预测，无
11、法保证设计质量；容易出现设计反复，设计周期长。这种方法与电子产品、通信产品竞争激烈、新产品上市的时间要求越来越短的特点相冲突，因此不适合高速通信系统的设计。事实上，越是在产品开发的后期，解决问题的难度则越高。 要解决信号完整性问题，人们越来越依赖于采用基于信号仿真筋一体化 武汉理工人学硕士学位论文设计流程（如图）其基本思想为利用仿真技术，在产品设计早期尽可能的解决信号完整性问题，提出满足信号完整性要求、时序要求、要求，并满足加工制造与测试的总体方案和设计准则，最大限度地降低产品成本，缩短研发周期。 系统需求，总体设汁 原理圈设计布局与物理宴现 设计市查 满足加工、装配帆盘调试 成功计成功 分析
12、：关键信分析：、连接器选型分析：互连设计准则、噪声与时序裕量设计分析：时序和拓扑结构设计、端子调整。串扰、反射、分析与仿真仿真验证，规则捡盘图基于仿真分析的一体化设计流程武汉理工大学硕士学位论文如上所述可见，新型的一体化设计方法具有如下几方面的优势：事先进行、及分析与仿真。利用仿真技术可以将传统设计方法中机盘调试阶段的大量工作提前到原理图设计阶段，可以更容易地识别问题。 预先考虑设计方案和设计规则，提高设计效率和成功率。在设计开始之前，先确定设计策略和设计准射，这样才能指导诸如元器件与连接器的选择、端子定义、板材与加工工艺选择、电路板生产成本控制等工作，从而确保设计结果不出现明显的、及时序问题
13、。尽管有些设计准则可以由制造商提供（如板），然而，这些准则有定的局限性，往往不能满足产品的设计要求。提前确定电路板的叠层。信号层、地层、电源层的数量及安排一方面与电路性能及特性阻抗有关，甚至与连接器的端子定义有关，另一方面又受机械结构（板厚）及产品成本的制约。因此一体化设计可以使电路设计、结 构设计、加工工艺等环节更好地结合。提前确定关键信号的布线策略。特性阻抗、长度、线宽、过孔数量、线间距离等是关键信号设计时必须考虑的因素，对信号延时和波形质量有重要影响。在总体设计阶段要充分考虑这些因素以确定系统信号完整性设计的指标。 决定系统设计技术路线，选择合适的器件和驱动技术。比如选择高速器件还是低速
14、器件，采用点对点信号还是点对多点驱动，采用还是单端信号，确定噪声裕量等等。 增加了预布局、预布线阶段，有更多的设计调整机会，可提出更好的设计方案。预布线中规划的基本过程是首先定义输入参数范围（驱动幅度、阻抗等）和可能的拓扑约束（最小最大长度、分支长度等），然后运行每一个可能的仿真组合，最后找到可以接受的数值范围。 在设计阶 段，根据 频谱分布，决定 电源滤波和设计方案，降低后期处理的技术难度和成本。仿真设计的可行性过去，电路板设计中没有普及仿真的原因主要有三个：使用复杂、缺乏 武汉理工大学硕士学位论文仿真模型和成本太高。首先，到目前为止，仿真软件的使用仍然相当复杂，因而在电路板设计工程师中形成
15、了”仿真过于复杂“的观念。其次，许多电路的仿真模型无法找到，因此要仿真完整的电路几乎没有可能。例如，如果上有个元件，其中个元件可以仿真，而剩下的个关键元件却无法仿真，那么仿真就毫无意义，更重要一点，仿真软件的价格通常很昂贵。 然而，随着电子产品的速率越来越高，高速电路的使用越来越多，电路工程师仅仅个人的经验来设计电路已经变的越来越困难。他们必须采用仿真的方法进行电路设计。除此以外还有以下四个原因使得电路仿真设计变得可行。 （）供应商根据设计的发展和电 路板设计工程师的需要，采取重大步骤消除妨碍仿真 软件应用的障碍，从而使设计工具操作更方便、模型更完备、成本更低。供应商采取了如下的措旋：，原理
16、图建立和仿真软件的融合。工程师掌握原理图设计软件及其使用。从技术上看，要求软件必须能自动地生成网表，现在的软件能够使设计工程师创建电路图并且自动输出仿真结果。因此，通过电路图设计工具和仿真工具的融合，使工程师不必考虑低级编码过程，从而避免为学习仿真工具付出过长的时间。为了提高操作的简便性，向仿真程序加入新的功能，比如在熟悉的虚拟仪器上显示仿真结果，将元器件按零件代码文件来组织并进行“无模型 操作，此时不需要了解器件的放置和连线模式，从而简化了软件的使用方法，提高了工作效率，从而使得更多的电路设计工程师开始使用软件进行电路设计 （仿真模型的来源增加了。除了工具本身具备器件库（优秀的仿真软件供应商
17、提供其拥有的大部分或全部器件模型）之外，器件制造商也提供相应的器件的仿真模型，同时大量新兴的网络 元件信息公司”也能为电路设计提供更多的仿真模型。从网上器件数据库，设计工程师可以从众多的厂商那里下载数以百万的元器件模型并进行选择。将公司的工具和元件信息公司提供的模型相结合，可以满足电子设计工程师的即时模型需求 （）混合信号设计的普遍性增强。象这样的通用仿真技术适用于模拟宅路和某些数字电路，这包括中规摸集成电路（和大规模集成电 武汉理工大学硕士学位论文路（），但是，要用在晶体管和门级对 相当复杂的数字芯片（微处理器、存储器、等等）建模是不可能的这些芯片的仿真模型通常要用硬件描述语言如或来编写，这
18、些编程语。“驼，完美地描述复杂器件的功能，相对于描述实际晶体管的行为来说，复杂性大为降低。事实上，许多可编程芯片都用或语言进行功能设计，其编码可用于功能仿真。目前，所有仿真技术已经可以集成在一起实现协同仿真，在单一集成环境下，设计工程师可以获得总的仿真结果。不同仿真引擎的接和通信（、代码等）对工程师是不透明的，他们只需关心过去用传统仿真软件无法仿真的芯片模型。现在，采用基于、或代码描述的模拟和数字器件协同模型，电路板上所有器件的仿真都可以实现。工程师能够同时仿真电路板上所有的元器件，仿真过程与真实的测试过程相同。 （）过 去，仿真软件的成本高昂妨碍电路扳设计工程币对工具的使用，但是目前性能卓越
19、的和仿真软件价格已经越来越低。软件工具的变革，使硬件的数量按指数规律增加，但价格反而越来越低。软硬件成本的降低实际上已经消除了仿真的瓶径。各种仿真软件的性能比较目前，比较大的国外的厂家主要有，等，各大厂家电路仿真设计软件各具特色，可针对不同的应用目的和不同的条件进行合理的选择。 其中频域仿真工具主要有，等，系统级的仿真工具主要有，等，时域仿真工具有，等 频域仿真工具主要从以下几个方面对电路进行分析：（）信道的频域特性分析；（）从频域的角度对电互连线迸行优化分祈：（）走线长度的频率响应特性；（）元件的频域建模仿真。频域仿真分析主要采用反射参数。，传输参数点：，耦合参数品，最大 武汉理工大学硕士学
20、位论文最小阻抗变换及谐振频率等特性来描述电路的各种现象和特性。 时域仿真工具与频域仿真工具采用的方式有所不同，主要对电路进行抖动分析，信号质量验证等。时域分析的参数主要有两个方面： （）信号的质量方面，包括信号的过冲下冲，振铃和环绕振荡，上升下降沿时间，信号的单调性等； （）信号的时序方面，包括斟动，偏移（主要针对差分信号），占空比失真。 限于笔者的使用经验及篇幅的考虑，下面简要介绍几种综合仿真工具的特点和性能，并详细介绍笔者使用的仿真软件的功能特点。、仿真软件推出了全套的（信号完整性）、（电磁兼容性）、（电源完整性）仿真工具，辅以齐全的建模工具，并与各类常用系统紧密结合，适用于数字电路、模拟
21、电路、数模混合电路的仿真。的仿真工具能够实现以下功能： 计算和优化终端电阻、滤波电容等，保证信号的完整性；找出设计中传输时延、反射、串扰、电磁干扰超标的布线：优化电源滤波电容的数量、容量以及放置位置：模拟 场，仿真产品的电磁兼容性；画出的电磁场 分布图：其可作的仿真分析如下：布线前信号完整性分析和仿真；确定的屡数和层叠结构；确定去耦电容的值，传输线的阻抗和时延；产生用于控制自动布线用的设计规程，如长度和宽度的限制、串扰、过孔设计等：布线后信号完整性分析和仿真；对线上的反射与串扰噪声进行分析；精确预测由传输线、封装、连接器、过孔等引起的噪声而导致的信号失真；采用最为准确的有损耗的耦舍传输线仿真器
22、和快速的传输线参数 一墓堡里三查堂堡主堂垡堡奎提取工具：地电源平面的反弹和共模噪声仿真：提供各类可视工具，在上用色彩表示出仿真结果。同时提供各类文本报告。其产品特点如下：支持各类工业标准模型，如、和可以用多种精度级别对设计进行分析。允许进行有侧重的分析，对 不重要的地方进行快速扫描，而对重要的地方进行非常详细的时域仿真；与常用的系统有非常紧密的接口，为布线系统的个无缝子系统。其产品出以下几部分组成：布线前分析：，：布线后分析：，接口，；电磁兼容性（）分析等。、仿真软件是套完整的电磁兼容和信号完整分析工具，用于解决高速和信号完整性问题。包括前仿真工具和后仿真工具。设计人员用这些工具解决信号完整性
23、和在生产之前找到问题。同 时包括，。等工具。它有良好的兼容性，与主要产品都有接口，如：，等。其主要特点：使用工业标准模型；主要产品都提供接口：探索物理规则 以解决信号完整性问题 ；通过布局前仿真解决串扰问鼷；很容易找到准确的端接方式； 武汉理大学硕士学位论文在样机或生产之前找到和解决信号完整性问题；通过辐射的预测和电流的计算，对失败提供预警；提供了， 的链接等。、仿真软件公司是一家软件公司，成立于年。其主要 产品线从上层的系统级设计到逻辑综合到低层的布局布线，还包括封装、电路板设计等等多个方向。下面主要介绍其产品线的范围。 （）板级电路设计系统包括原理图输入、生成、模拟数字混合电路仿真， 设计
24、，编辑和自动布局布线、电路设计、高速版图的设计仿真等等。包括： 、原理图设计输入工具；、原理图设计规则检查工具；、版图布局规划工具；、专家级版图编辑工具：、专家级自动布线工具；、信噪分析工具：、电磁兼容性检查工具；、综合工具；、分析器；、先进的封装设计工具。（）系统级无线设计这一块的产品主要是应用于网络方面的，它主要有下面的一些模块组成： 、）信号处理系统：它是面向电子系统的模块化设计、仿真和实现的环境，通常的应用领域包括无线和有线载波通信、多媒体和网络设备。在进行算法设计、滤波器设计、生成、软硬件结构联合设计和硬件综合的理想环境。、（）件系统设计系统；武汉理工大学硕士学位论文它现在是的集成组
25、件之一。包括仿真、库和分析扩展部分。可以进行的定点分析行为级和级的代码生成。、多媒体（）：它可以进行多媒体应用的设计，包括电视会议系统、数字电视等等以及任何种类的图象处理系统的设计。 、无线技术 （，：无线电技术标准系统级验证工具，可以在系统级的抽象层上生成、开发和改进遵守一标准的信号处理算法。在完成硬件结构设计后，就可以使用直接生成可综合的描述和相应的标准检测程序（）。、无线标准系统级验证；、网络协议分析和验证的设计工具；它是一套软件系统，专门用来做多媒体网络结构和协议的设计的。可以用来快速的生成和分析结构单元之间的信息流的抽象模型，并建立一个完整的无线网络的运作模型。例如，用户可以改进转换器的算法，并建立其基于微处理器包括高速缓存和内存和总线、通信处理方法的应用模型。 、虚拟协同设计工具包；主要是用来进行基于可重用的核的系统级设计环 境。（）逻辑设计与验证（）设计流程包括的模块有下面的这些东西：、仿真器；、仿真器；支持混合语言的仿真，其语言的仿真是通过编译后仿真，加快了速度。 、壤仿真器；其主要的特点是适合于大系统的仿真。、仿真器；适用于语言的仿真。、形式验证工具一等价检验器；、故障仿真器：用来测试芯片的可测性设计的。
