快速而準(zhǔn)確的數(shù)千兆赫茲級(jí)串行收發(fā)器建模技術(shù)

利用仿真手段驗(yàn)證串行鏈路信道是非常重要的。在非理想信道中，仿真需要包含成千上萬(wàn)個(gè)位的變化。工程師可以通過(guò)下載MacroModel模板，根據(jù)要求進(jìn)行必要的修改后，依賴各種資源和本文提到的實(shí)例，可創(chuàng)建更快速的模型來(lái)執(zhí)行這種類型的仿真。

隨著差分信號(hào)頻率的不斷提高，數(shù)千兆赫茲級(jí)(MGH，Multi-GigaHertz)系統(tǒng)仿真已勢(shì)在必行。特別是當(dāng)系統(tǒng)和封裝的探測(cè)變得越來(lái)越困難，硅片中的信號(hào)越來(lái)越明顯地需要均衡嵌入時(shí)更是如此。而硅片封裝電路板建模技術(shù)還在十字路口徘徊；IBIS模型不能處理預(yù)加重，晶體管模型速度太慢，無(wú)法仿真足夠的位數(shù)。這樣的問(wèn)題影響到了你的設(shè)計(jì)嗎?

用于MGH仿真的新技術(shù)已經(jīng)推出，這種技術(shù)也許要比想象中的更簡(jiǎn)單。本文將說(shuō)明這種解決方案的重要性，并解釋應(yīng)用時(shí)需要知道的一些基礎(chǔ)理論。經(jīng)過(guò)深入研究后你會(huì)發(fā)現(xiàn)后續(xù)步驟只是簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊鼠標(biāo)而已。

拓展眼圖，仿真更多的位數(shù)ALT="圖1：仿真位越多，眼圖高度越小。">

串行MGH收發(fā)器主要用來(lái)適配并作用于多種多樣的系統(tǒng)互連或“信道”中間。而這些信道通常都很不理想，具有各種各樣的損耗以及不連續(xù)和不匹配的阻抗特性?？焖俜抡嬉话愣寄馨l(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題，并幫助找到解決方案，同時(shí)也可用來(lái)證實(shí)差分信號(hào)電壓能按要求進(jìn)行切換。

然而，非理想信道也可能會(huì)產(chǎn)生一些令人難以理解和量化的行為。某些位模可能會(huì)結(jié)合系統(tǒng)中未端接的能量而產(chǎn)生不可預(yù)期的結(jié)果。雖然象8b/10b這樣的編碼方法能夠減少可能的位組合數(shù)量，但如果沒(méi)有測(cè)試長(zhǎng)位流的話很難對(duì)信道做到完全驗(yàn)證。這里的“長(zhǎng)”正比于被信道的恢復(fù)時(shí)間或“存儲(chǔ)器”覆蓋時(shí)希望的位變量。

如圖1所示，我們需要對(duì)信道進(jìn)行長(zhǎng)位流驗(yàn)證。從圖1可以看出，當(dāng)仿真的位數(shù)量增加時(shí)，MGH串行鏈路的眼圖高度會(huì)變小。與300位時(shí)的測(cè)試相比，在測(cè)試20,000位后眼圖高度減少到了60%。事實(shí)上在信道收斂性能測(cè)試之前，非理想信道的眼圖高度在最開始的100,000位測(cè)試中會(huì)很快下降。這種巨大的變化會(huì)給正常的系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的隱患。

對(duì)更快模型的需求

為了理解更長(zhǎng)位流情況下信道的行為，必須找到仿真速度更快的硅片模型。雖然晶體管級(jí)模型具有很好的精度，但即使是仿真幾百個(gè)位也需要很長(zhǎng)的時(shí)間。用每小時(shí)完成100位仿真的典型晶體管級(jí)模型來(lái)仿真百萬(wàn)位數(shù)據(jù)則需要花上一年多的時(shí)間，顯然這是不能接受的。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Cadence公司提供了可下載的“MacroModel”模板，設(shè)計(jì)師可以用它快速生成自己的MGH器件模型。由于這些模型得到了優(yōu)化和行為化，一般仿真速度能比晶體管模型快數(shù)百倍。采用這類模型后能夠輕易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)位流的仿真，因而也能完成更好的信道驗(yàn)證。

理解預(yù)加重ALT="圖2：預(yù)加重發(fā)送器和模型的基本結(jié)構(gòu)。">

本文最后會(huì)告知如何取得這些模型模板，但首先來(lái)了解一些高效使用這些模板的基本知識(shí)。

大部分1到5GHz范圍內(nèi)的MGH收發(fā)器使用2節(jié)點(diǎn)的“預(yù)加重”。可能許多設(shè)計(jì)師都很熟悉這個(gè)術(shù)語(yǔ)，卻并不清楚它是如何實(shí)現(xiàn)的，也不知道如何給它建模。然而“預(yù)加重”這一特點(diǎn)會(huì)使這些發(fā)送器在行為級(jí)IBIS模型結(jié)構(gòu)中不能正常工作。為了繼續(xù)這一討論，本文假設(shè)讀者了解IBIS模型中的基本單元，但想知道帶預(yù)加重的發(fā)送器有什么不同。

圖2給出了差分發(fā)送器中的基本單元。虛線左邊的每個(gè)器件可以用IBIS處理，人們也比較熟悉。信號(hào)被驅(qū)動(dòng)成高電平，并端接于電阻，同時(shí)使用尺寸為N型并連接到地的藍(lán)色晶體管驅(qū)動(dòng)到低電平。虛線右邊的預(yù)加重單元增加了一個(gè)反向器、一個(gè)單位時(shí)間間隔延遲“UI dly”和另外一個(gè)晶體管。這個(gè)附加的紅色晶體管是藍(lán)色晶體管的縮減版本，尺寸為N/x，以并聯(lián)方式連接。

預(yù)加重功能使用這些額外的單元平整信道的頻率響應(yīng)。紅色的額外晶體管級(jí)是通過(guò)提升高頻轉(zhuǎn)換位、衰減低頻重復(fù)位實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)平坦化的。仔細(xì)研究一下圖3中帶顏色的波形。藍(lán)色波形是藍(lán)色晶體管的正常IBIS類轉(zhuǎn)換波形，紅色波形由紅色晶體管驅(qū)動(dòng)，是藍(lán)色波形經(jīng)過(guò)反向、衰減和一個(gè)單位時(shí)間間隔延遲后的波形。

由于藍(lán)色和紅色晶體管在輸出引腳處是連接在一起的，因而共同產(chǎn)生黑色的波形，該波形看起來(lái)類似于帶預(yù)加重的信號(hào)。結(jié)果波形能在高頻轉(zhuǎn)變位正確地切換較高的幅度，并在較低頻的非轉(zhuǎn)變位降低幅度。

如何建立自己的MGH MacroModel

從本文中可以看到，只要提供單位間隔時(shí)間和伸縮比例系數(shù)X這二種附加的信息，這種轉(zhuǎn)換行為就很容易在MacroModel模板中被建模。如果不能從晶體管設(shè)計(jì)中得到X，也可以從以dB為單位表示為20*log(V_final/V_initial)的幅度預(yù)加重下降中得到。單位間隔時(shí)間簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是位的周期，如2.5Gbps時(shí)的單位間隔時(shí)間即為400ps。

利用模板生成MacroModel時(shí)需要以下幾個(gè)步驟：ALT="圖3：來(lái)自每個(gè)級(jí)和各級(jí)組合后的MGH信號(hào)。">

1．建立圖2中虛線左邊電路的IBIS模型(將預(yù)加重“關(guān)閉”，并使用自己的正常建模工藝)；

2．提供dB下降和位周期參數(shù)；

3．如果希望匹配現(xiàn)有的晶體管模型，那么就需要調(diào)整模板中其它相關(guān)參數(shù)直到完全匹配為止。

上述三個(gè)步驟完成后就可以得到快速精確的MGH發(fā)送器模型了，該模型可以用來(lái)仿真長(zhǎng)位流，并設(shè)計(jì)出更具魯棒性的MGH串行鏈路。

在串行鏈路中“魯棒性”設(shè)計(jì)和工作是非常重要的。工程師們發(fā)現(xiàn)，串行鏈路與并行總線有很大的不同，即使許多位出錯(cuò)，串行鏈路的重傳方案也會(huì)造成串行硬件工作正常的假象。因此如果不進(jìn)行足夠的仿真和驗(yàn)證，實(shí)際的吞吐量可能遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)的期望。

如何獲取MacroModel模板

可以登錄register.cadence.com/register.nsf/macroModeling?OpenForm網(wǎng)頁(yè)提交申請(qǐng)以獲取完整歸檔的MGH模板模型。其它相關(guān)信息可以在www.pcbhighspeed.com/TechnicalPapers/Macromodeling.pdf、 www.cadence.com/webinars/webinars.aspx?xml=pcbmacromodeling，和www.specctraquest.com/Optimize/O_Models.asp#macromodels

中獲得。同時(shí)在www.specctraquest.com/Optimize/DesignKits.asp網(wǎng)站提供的設(shè)計(jì)套件——特別是最新PCI Express設(shè)計(jì)套件中可以找到這類模型的有用實(shí)例以及最佳應(yīng)用的建議。MacroModel模型可以用于Cadence SPECCTRAQuest SI和Allegro SI分析環(huán)境。