高速网络拓扑分析与仿真应用

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1、高速网络拓扑分析与仿真应用唐星海张军现在的髙速数字系统中，系统主频越來越髙，满足信号的建立和保持时间成为制定PCB设计约束规则的关键，设计人员更多的粘力要放在逻供的板级实现上。由于高速互连系统中存在若大员复杂的总线拓扑，因此正确选择网络拓扑结构在高速数字系统的板级设计中很重翌。本文针对离速信号传输问题，以传输线理论为基础,通过信号仿真对各种拓扑结构进行分析,捉出板级设计过程中网络拓扑选择的基本原则•并通过对工程应用中的网络拓扑仿贰提出解决多瑞网络（nEidropneJ信号完整性分析的具体思路。一、传输线互连线将卷个点连在一起形成了一个网络（net）,理想情况下,我们会认为每个点的

2、信号波形是一致的，互连线仅仅起到了连接的作用，即各点之间的信号是瞬间传递的,这时网络使用哪一种拓扑结构得到的结果都是一样的。实际的悄况并非如此，互连线本身具有电阻、电容和电感,信号在其上传输需要-淀的时间，当这个信号延迟时间与信号本身的变化时间（上升沿或下降沿）相比已不能忽略的时候•互连线就呈现出传输线特性。传输线可以看作是一个分布参数系统，其电容、电阻.电感和电导分布于传输线的各个点上。传输线有其固有的特征阻抗Zo.不同长度的传输线会引起不同的信号延迟Td。如果传输线上阻抗不连续或终端不匹配就会引起信号的反射。对于数字信号來说，反射的结果表现为上升沿.下降沿的振铃和过冲•如图1

3、所示。图1上冲和下冲。若终端阻抗不匹配一部分信号向源端Vs方向反图2是典熨的传输线反射的例子，设p为反射系数,R为匹配电阳，可以得到:射•，当反射信号到达源端时，如果源端阴抗也不匹配，将再次产生反射。这样，在源端和终端都存在阻抗不连续点时,信号便在源端和终端Z何来回反弹，但最终会达到个稳定的宜流状态，这种悄况就是信号的多重反对。R、ZoRi传输线反射如果传输线曲两段不同特性阻抗的传输线组成，则连接点处也会产生信号反射。传输线上出现的分叉点就足这样一个阻抗不连续点。二、多端网络的拓扑结构在高速电路设计中,正是山于传输线的存在和它的特性（主要是反射，除此Z外还有串扰,但这里我们不考虑

4、），导致了笳端网络在使用不同的拓扑结构和阻抗匹配方式时，各点得到的信号波形不一样。以下是对几种典型拓扑结构（图3）的分析。⑻点到点(b)菊花(c)星形4(e)周期性负载常用的几种拓扑结构1•点到点(Point-to-point)点到点的拓扑结构比较简单，只耍在发送瑞或接收端进行适当的阻抗匹配(通常情况下使用其中的一种就够了，有的电路会出现耍求同时使用两种匹配的悄况)，便可以側到较好的信号完整性。2•菊花链(Daisychain)当网络(nei)的整个走线长度延迟小于信号的上升或下降时间时，用菊花链拓扑结构(图4)会比较好，这时网络上的负载都可以看作为容性负叔。菊花链同时也限制了信

5、号的速率,只能工作在低速电路中。以下是用Hspicc对图4的电路进行仿真的例子，图5是収不同的网络延时Td(Td=TdI+Td2+Td3)得到的A点的波形情况。可以看出Td=().]ns和Td=0.3ns网络延时(小于信号上升沿1亦)时得到的波形明显好于Td=2ns时的波形。50Q5007dia5007^B50。7^q4菊花链拓扑实例■■008>看却■.O—•*■・■•%/:•：9X

6、:•:■:•:・:>：«:：•:：•:：1:::■°・:丿::•:n2ns0.3ns0.1ns1i■・■・・20时间(ns)每一分段延时分别为O.k0.3v2ns时」A点的仿真波形3•星形⑶ar)

7、星形的拓扑结构要求每个分支(swb)都要进行均衡设计，这样即使在菲常快的变化沿悄况下仍可以得到很好的性能。下面的例子中有一段Stub连接在Td=10ns的传输线的中间，通过Hspicc进行仿真，可以看到当stub的长度增加时，产生的振铃周期増加携铃的幅度加大并且翌用很长的时间才能稳定下来。当slub的长度等于其它分支的长度时，虽然仍存在多垂反射.但波形的质蜃明显提离了许多，如图6和图7所示。因此使用星形的拓扑结构时浚求毎个分支的接收瑞负载-•致•并选择适当的匹配方式。50Q50Q5ns50Q5ns12001星形拓扑实例(Auoud总o时间(ns)图7不同的stub长度,A点的仿真

8、波形图4•远端分支（Far-endcluster）跟星形类似，只不过分支是靠近接收端。在这种拓扑结构中,也要限制远端Stub的氐度，便Slub上的传输延时小于信号上升沿，这样每个接收端都可以被看作为一个简单的容性负载。5•周期性负誠（Periodicloading）周期性负载的拓扑结构同样要求每段stub的长度足够小•使stub上的传输延时小于信号上升沿。这种主干传输线和所有的stub段组合起來的结构町以看作为一段新的传输线，其特征阴抗要比原来主干传输线的特征阻抗小，传输速率也比