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基于HyperLynx的高速PECL交流耦合时钟

时间：2010-01-27 10:48:15

关键字：交流耦合时钟 HYPERLYNX 传输线

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[导读]随着电子技术的不断发展，数据的传输速度越来越快，高速时钟的应用日益广泛，如何保证时钟在高速跳变过程中的信号完整性、抖动、功耗等问题，已逐渐成为关注的问题。传统的时钟设计方法大多依靠经验和理论计算，但是随着时钟频率越来越高，时钟的电磁环境日趋复杂，时钟的传输线效应、过冲／欠冲、反射、振铃效应、趋肤效应都成为影响时钟设计的关键因素，只有使用现代科技手段，利用计算机的强大计算能力进行仿真才能够保证时钟电路设计成功。 HyperLynx是Mentor(Graphics开发的一款板级信号完整性的仿真工具。它可以进行损耗传输线的精确仿真，支持IBIS模型和HSPICE模型，可以使用过孔模型，允许多种激励源，可以分析信号的眼图、抖动以及EMC(电磁兼容性)辐射，用户界面简单直观。

引言

随着电子技术的不断发展，数据的传输速度越来越快，高速时钟的应用日益广泛，如何保证时钟在高速跳变过程中的信号完整性、抖动、功耗等问题，已逐渐成为关注的问题。传统的时钟设计方法大多依靠经验和理论计算，但是随着时钟频率越来越高，时钟的电磁环境日趋复杂，时钟的传输线效应、过冲／欠冲、反射、振铃效应、趋肤效应都成为影响时钟设计的关键因素，只有使用现代科技手段，利用计算机的强大计算能力进行仿真才能够保证时钟电路设计成功。 HyperLynx是Mentor(Graphics开发的一款板级信号完整性的仿真工具。它可以进行损耗传输线的精确仿真，支持IBIS模型和HSPICE模型，可以使用过孔模型，允许多种激励源，可以分析信号的眼图、抖动以及EMC(电磁兼容性)辐射，用户界面简单直观。

在目前的高速时钟的电平标准中，PECL(正电压射极耦合逻辑)是应用较广泛的一种，绝大多数高速ADC(A／D转换器)、DAc(D／A转换器)器件都支持这一时钟电平。本文叙述。PECL的原理和常见端接方式，结合在ADc系统中的应用，使用HyperLynx工具对设计后的电路进行仿真以验证设计思想。

l PECL工作原理

PECL由EcL(射极耦合逻辑)标准发展而来，在PECL电路中省去了负电源，较EcL电路更便于使用。PECL信号的摆幅相对EcL要小，这使得该逻辑更适合于高速数据的串行或并行连接。

一个标准的PECL输出极如图1所示。

差分对管的射极通过电流源连接到地，差分对管驱动一对射随器以提供正、负输出。输出射随器工作在正电源范围内，其电流始终存在，这样有利于提高开关速度。LVPECL(低电压。PECL)输出极的标准输出负载是接50 Ω电阻至Vcc一2 V的电平，在这种负载条件下，由于射随器的基极一射极有0．7 V压降，故输出+与输出一的静态电平典型值为Vcc一1．3 V，0．7 V压降加在50 Ω终端电阻上的电流为14 mA，可知输出+与输出一电流为14 mA。PECL结构的输出阻抗典型值为4 Ω～5 Ω，表明它有很强的驱动能力。2时钟电路设计

下面根据具体应用进行设计。首先从时钟的发送端(输出)和接收端(输入)各自的特性着手进行设计。

2．1时钟输出结构

时钟输出端由时钟扇出芯片ICS853011的一对输出引脚担任。ICS853011是一款将任意差分时钟扇出为两路PEcL电平的时钟扇出芯片，其原理见图2。

当其供电电压为3．3 V时，其输出电气特性如表l所示，输出高电平在2．295 V左右，输出低电平在1．52 V左右，输出峰峰值约为800 mV。

2．2时钟输入结构

ADS5463的时钟输入特性如图3所示。

由图3可看出时钟的输入幅度和共模电压与ADC信噪比的关系，当输入时钟为300 MHz时，只有峰峰值大于O．5 V、小于3．5 V，共模电压大于1 V、小于3．5 V才有最佳的信噪比指标，LVPECL电平的共模电压为Vcc一1．3 V=3．3 V-1．3 V=2 V，典型峰峰值700 mV，刚好满足ADS5463对时钟的要求。ADS5463在时钟输入端由内部电阻将时钟输人共模电压偏置到2．4 V，这与发送端的共模电压不同，故采用交流耦合是最好的方式。时钟电路初步设计见图4。

如图4所示，在ICS8530ll的每个输出端都并联了一个142 Ω的电阻到地，这个电阻的作用是：由于输出共模电压固定在Vcc一1．3 V=2 V，为了使输出电流维持在14 mA，故直流偏置电阻值选择2 V／14 mA=142 Ω，实际选取时可选择140～200 Ω。此时双端传输线特性阻抗为50 Ω。

3电路仿真

下面打开HyperLynx，将上述电路导入其中的LineSim工具下，该工具是HyperLynx的一个子工具，主要用来进行传输线的拓扑结构的仿真，可以对不同端接方式下的信号完整性进行分析。LineSim中的传输线模型构筑如图5所示。

图5中的传输线模型由发送端、线阻抗、路径上的相关器件与接收端组成。发送端和接收端的仿真模型是一种IBIS仿真文件。IBIS是对输入输出端口的电气特性快速准确建模的方法，是反映芯片驱动和接收电气特性的一种国际标准，它提供一种标准的文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升／下降时间及输入负载等参数，非常适合用于振荡和串扰等高频效应的计算与仿真。这里选择发送端为ICS85301l的模型，而接收端为ADS5463的模型，图中线路阻抗选择50 Ω，两个输出端并联到地的电阻为142 Ω，线路上的隔直电容为100 nF。

输入激励设置为．500 MHz、占空比为50的时钟源，在LineSim的数字示波器的仿真结果窗口中显示的波形如图6和图7所示。

图6和图7显示的是信号的差分值。可以看出，信号在发送端的失真还可以接受，但是在接收端的波形出现了较严重的振铃现象，其原因可能是：传输线阻抗和负载阻抗不匹配，导致信号发生反射，引起振铃现象；端接的拓扑结构不对，采用了错误的端接方式。传输线理论中对于振铃现象原因的分析是：当传输线阻抗大于信号源阻抗时，信号源段反射系数为负值，这时将产生振铃现象。结合本电路分析，由于信号源阻抗是ICS853011内部的输出射随器的输出阻抗，约为4 Ω，而此时的传输线阻抗为50 Ω，过强的驱动能力导致负载端出现振铃现象。

消除振铃现象的方法有降低系统时钟频率、缩短传输线长度、采用正确的端接方式3种。由于本系统的时钟频率是固定的，而传输线长度又由PCB(印制电路板)的物理布局所限定，故只有采用正确的端接方式最为经济灵活。常见的端接方式有源匹配和负载匹配，下面介绍这两种方法的原理。

源匹配要求为输出端串联一个电阻，使源阻抗R。等于线路阻抗Z。，串联后，源反射系数等于0，从而消除了负载上的反射信号。换言之，串联的电阻吸收了发射的信号。本电路改进后如图8所示，在输出端串联了一个的电阻Rs，Rs=z0一R0=50-4=46 Ω，串联后的接收端波形见图9。从图9可看出，串联一个电阻后，接收端的波形得到了很大改善。但是这种方式稍微减小了接收波形的幅度值。但总的来说，信号还在ADC的接受范围内，不会对ADC性能有较大影响。

为了不衰减时钟信号的幅度，另一种较好的匹配方式是终端匹配。终端匹配的原理是在走线路径终端并联一个电阻RL在接收端负载上，使总的负载ZL=Z0，从而使反射系数
，以消除反射，在这里采用交流负载匹配，即由一个电阻RL串联一个电容CL然后并联到原接收端负载上，这样相比单接一个电阻最大的好处是可以降低直流功耗。改进的电路如图10所示。

图11所示为由Hyperlynx的仿真波形，可见这种方式也改善了接收端波形，同时减少了直流功耗。

在实际的时钟电路设计中，不仅需要考虑端接方式和器件值大小，还需要考虑器件的摆放，如端接电阻和必须尽可能靠近接收端、源电阻必须尽可能靠近发送端、器件与走线方向一致等；同时，布线必须严格按照差分规则，保证两差分线之间间距相等、两线线长相等，与周围高速数字线保持2倍以上的线间距，只有这样才能最终实现高性能的时钟设计。

4结束语

在高速时钟电路的设计中，信号完整性问题一直是困扰设计人员的问题，本文提出的PECIL高速时钟设计是在ADC设计中成功与否的关键因素。通过HyperLynx仿真，可以在最大程度上避免设计中的信号完整性问题。本时钟设计已在PcB实物上得到验证，取得了与仿真一致的效果，证明使用HyperLynx辅助设计人员进行关键时钟路径的设计是可行的。