高速数字电路设计与实现-Read.doc

高速数字电路设计与实现
•高速数字电路简介
•信号完整性
•电路的调试与测试
•电路板级设计
1、高速数字电路简介
•电磁继电器、电子管、晶体管、集成电路
•空中飞线连接、单面敷铜板、双层电路板、多层电路板
•从数字电路的发展来看，高速是电路发展的趋势
•高速数字设计和低速数字设计相比最大差异在于无源元件的行为.这些无源元件包括导线、电路板、集成电路的封装和电路板上的过孔等等.
•在低速电路中，无源电路元件仅有封装部分对电路造成部分的影响
•在高速电路中，所有无源电路元件都影响电路的性能。
•高速数字设计就是研究这些无源电路元件对电路造成的各种影响，如:对信号传输的影响（振铃和反射），信号间的相互作用(串扰）,和自然界的相互作用（电磁干扰）等等
•到底多高的速度才能称为高速?
–目前还没有一个权威的频率界限，工程上一般认为超过30MHz就是高速电路,也有的人认为是25MHz或50MHz。
–然而在高速电路的设计中，我们更关心的是信号的上升、下降时间。对于频率不高，但是边沿陡峭的信号仍然会存在某些高频信号的特性.
–由于频率较高的信号边沿必定很陡，所以通常把这二者混为一谈。
•而在高速电路中，由于时钟速率的提高,电路中的连线不能够再被当作理想导线，应该看成是传输线，电路通常需要用分布参数模型来分析
•工程上一般认为，对于印刷电路板上的走线或点对点的电导线长度只要大于上升沿长度的1/6，电路就体现出分布参数特性。
2、信号完整性
•由集成电路芯片构成的电子系统更是朝着大规模、小体积、高速度的方向发展的。
•信号完整性（Signal Integrity,简称SI）是指在信号线上的信号质量，即实际传输信号与理想信号的一致性。
•信号质量差（不完整）的原因主要有：反射、串扰、地弹等等
•不完整的信号现象有:过冲、欠冲、阻尼震荡、非单调等。
3、传输线理论
•传输线是微波技术中最重要的基本元件之一,，传输线的研究涉及很多复杂的理论.
•在高速数字设计中只涉及到四种:同轴电缆、双绞线、微带线和带状线
•最重要参数:传输线的特性阻抗和信号在传输线中的时延.
•PCB板中的传输线分析
–对某参数：
•微带传输线
•带状传输线
–对于同样的电介质,
•微带传输线的传输速度要比带状传输线的快
•一般微带传输线的阻抗也比带状传输线的高。
4、反射及端接技术
•传输线上只要出现阻抗不连续点就会出现信号的反射现象
•信号线的源端和负载端、过孔、走线分支点、走线的拐点等位置都存在阻抗变化，会发生信号的反射。
•如果负载阻抗小于传输线特性阻抗,反射电压为负,反之，如果负载阻抗大于传输线特性阻抗，反射电压为正。
•反射造成了信号振铃现象，如果振铃的幅度过大，一方面可能造成信号电平的误判断,另一方可能会对器件造成损坏。
•信号到负载端后部分信号会向源端反射,这部分信号由负载端反射系数决定
•从负载端反射回来的信号经过传输线又传回源端,源端有将其一部分反射回负载端，这部分由源反射系数决定：
•对于理想的情况，希望在负载端得到的信号没有任何振铃，有三种方法可以达到这样的目的:
–一是使负载反射系数为0，即，这可以消除信号的一次反射,可以采用负载端并行端接来实现;
–二是使源端反射系数为0，即,这可以消除信号的二次反射，可以采用源端串行端接来实现；
–三是使用短线。在信号走线可以认为是短线的情况下,可视为1，信号传输没有幅度衰减和相位时延。
•优点：每条线只需要一个端接电阻，无需与电源相连接,消耗功率小。
•缺点：当信号逻辑转换时，由于的分压作用，在源端会出现半波幅度的信号，会出现不正确的逻辑态.并且由于在信号通路上加接了元件,增加了RC时间常数从而减缓了负载端信号的上升时间，因而不适合用于高频信号通路（如高速时钟等）.
•简单并行端接–在输出为高电平状态时，这种并行端接电路消耗的电流过大，对于50Ω的端接负载，维持TTL高电平消耗电流高达48mA，因此一般器件很难可靠地支持这种端接电路。
•其他信号反射原因：
–印制板电路中的过孔
–走线分支点
–走线拐点
5、串扰及其改善
•串扰是指当信号在传输线上传播时，因电磁耦合对相邻的传输线产生的不期望的电压噪声干扰.
•串扰的改善方法
–地平面在串扰的问题上起着至关重要的作用
–拉大两条信号线之间的距离,减小耦合程度
–相邻信号层信号尽量相互垂直或成一定的角度
–高速信号线尽量走在贴近地平面的信号层里，以减小走线与地平面之间的距离
–减小高速信号走线的长度，否则高速信号附近的会有更多的信号受其影响
–在速度满足要求的前提下，使用上升沿较缓的驱动器
6、地弹及其改善
•由于输出信号的翻转导致芯片内部参考地电压的飘移叫做地弹
•接地反弹的噪声主要是源自于电源路径以及IC封装所造成的分布电感.
•当器件输出信号有翻转时，就会产生噪声短脉冲。
•当系统的速度越快或同时转换逻辑状态的I/O管脚个数越多时就越容易造成接地反弹.
•地弹的改善方法
–接地反弹与引线电感成正比，所以应尽量减少分布电感量
–地弹与负载电容成正比,所以应该尽量采用输入电容较小的器件
–地弹与成正比，所以应尽量采用上升沿变化缓的器件
–地弹与管脚数N成正比，所以在实际的数字系统中应尽量避免地址/数据总线出现由FFFF变成0000的情况2rTV∆
1、电路调试与测试原因
•随着数字系统规模的增大、复杂程度的提高,电路测试及可靠性设计变得越来越重要.
•为实现复杂系统的有效测试所花费的时间通常比完成功能设计的时间还要长
•目前器件的管脚数高达1000,不远的将来要增加到2000，4000和更高.使用这些高集成度的封装导致超密，超复杂的系统都挤在一个20层的使用微过孔和内建（build—up）技术的电路板上。
•系统设计中的最基本要求之一就是系统的可测试性
2、电路的可测性
•可测试性指的是产品能及时准确地确定其状态(可工作、不可工作、性能下降）和隔离其内部故障的设计特性。
•电路板的可测性是指电路板调试过程中集成电路芯片功能的可测性和电路板上电路功能可测性
•集成电路的可测试性方法有多种:针对性可测试性设计方法、扫描路径法、内建自测试、边界扫描技术等
•对电路板级可测性设计的一些考虑
–信号探测点
–子系统的独立性
–手工复位
–跳线和拨码开关
•有三个概念应当始终贯穿在电路设计过程中：
–能见度(Visibility）
–简化度(Simplicity）
–灵活性（Flexibility）
3、JTAG测试电路
•JTAG测试电路遵循IEEE 1149.1-1990标准，即IEEE的标准测试访问端口和边界扫描结构。
•由联合测试行动组(Joint Test Action Group， JTAG)制定。
4、测量仪器
•测量仪器对于电路调试和测试来说至关重要，高速电路的测量对于以仪器性能指标的要求也更高。
•高速电路的测试需要考虑仪器对电路的影响
•高速电路的测量经常使用的仪器有示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪和时域反射分析仪。
1、电路板级设计流程
•创造一个电路板或系统级的电子产品设计的主要步骤有：
–概念（concept）:定义技术需求、描述系统行为和决定设计的整体结构
–原理图设计（schematiccapture）：通过描述产品功能来获得设计原理图
–板图设计(layout）阶段包含确定电路板上器件的最优布局和布线，还需要考虑用于多个电路板之间连接的电缆或者连接器的数量
–制造（manufacture）和发布
2、设计流程中的仿真验证
•电路板传统的设计方式是设计然后建立一个物理（硬件）原型，把它放在测试工作台上进行调试直至可以工作
•现在对系统工程师和布局布线工程师来说有许多可用的计算机辅助（computer—aided)仿真验证和分析工具。
•＊模拟信号仿真，*混合信号仿真
•＊可制造性设计（DFM）•＊射频（RF）
•*设计规则检查（DRC）•＊数字信号仿真
•*信号完整性（SI）•*电气规则检查(ERC)
•＊焊接/热剖析(profile)•*电磁兼容性（EMC）*电磁干扰（EMI）
•*热
•*时序
•*机械特性（振动、冲击、受压），＊可靠性
•仿真模型包括
–数字器件的VHDL，Verilog,C模型；
–器件驱动和负载的IBIS模型；电源开关
–放大器，稳压器，二极管和三极管,混合信号模／数转化器和比较器的SPICE模型
–VHDL-AMS（混合信号，IEEE1076。1）
–Verilog—A（模拟)和VerilogAMS（混合信号）
3、通用信号处理机设计
•指导思想
–标准化
–模块化
–可重构
–可配置
–可编程
–易开发
3.1 系统设计的目标
•基于标准总线的通用信息处理机
•多处理器并行系统
•“异构处理器的通用结构”
•高速数据传输能力
•标准化、模块化、可扩展
•具有二次开发能力软硬件系统
3。2 系统总线设计
•以C—PCI标准总线技术为基础，配以高速数据传输总线、精确定时总线、以太网的4套总线相结合的并行处理机方案.
•C-PCI总线提供一个通用的平台,在本系统中的主要功能有：传送控制信令、上传数据和系统配置.
•对于大带宽的雷达信号数据，采用高速数据总线传送。在物理上，它由多路开关矩阵Crossbar构成,通过J3～J5将各个板卡连接.
•定时控制总线将必须的时序信号实时地、同步地送到各个DSP上，控制整个系统的工作节奏。
3.4 某通用信号处理板的设计
•DSP选型–4个C6701浮点处理器–1个C6202定点处理器–主从模式•处理能力达–8400MIPS或4GFLOPS+2000MIPS•数据传输速率–160Mbytes/s–FPDP、RaceWay
•结构设计
•时序设计
–计算‘富裕时间’tmagin•在考虑了器件手册提供的最坏情况之后，得到的时序上的一个建立或保持时间裕量
–分析系统对‘富裕时间'tmagin的需求
•其要求往往随不同的系统而各异,而且和布线的情况以及负载的情况密切相关
•对于一个精心设计的电路板而言，输出信号的建立(setup）时间以及保持时间(hold）的富裕量大概在0。5ns左右就够了
•PCB设计
•热分布设计
–散热系统的考虑点
•C6000芯片的板子周围的空气流速
•环境温度
•芯片封装与散热片的结合方式/类型
•电路板的设计与布线
–建立散热模型
–散热片的性能曲线
•测试
–DSP工作频率测试
–存储器测试
–数据传输速率测试
–PCI总线测试
–DSP间通信测试
–输入输出测试
–DSP全速全资源运行测试