千兆POF收发器设计中的信号完整性分析

朱立妙，郭淑琴，沈旭东，周淑芬

(浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州310023)

0 引言

在高速PCB设计中，信号速率越来越高，信号边缘速率越来越快，导致高速电路中的反射、串扰等信号完整性问题变得越来越突出［1］。本文设计的千兆POF收发器，速度达到1.25GHz，在PCB的设计中必须考虑信号传输中的反射，串扰等问题，根据微波理论中传输线的相关知识，利用Cadence软件对传输线进行匹配，以减小信号传输过程中信号的反射和串扰等问题。

1 信号完整性分析的理论依据

高速信号在导线上进行传输时，当信号在走线上的传输时间大于电平跳变上升/下降时间的一半时，传输信号的载体就不能当作普通的导线进行分析，需要遵循传输线理论进行分析［2］。简单的说，传输线是由两条有一定长度的导线组成的，如图1所示。

图1 传输线模型

传输线传输高频信号时会出现以下分布参数效应［3］:电流流过导线使导线发热，表明导线本身有分布电阻;双导线之间绝缘不完善而出现漏电流，表明导线之间处处有漏电导;导线之间有电压，导线间便有电场，表明导线之间有分布电容效应;导线中通过电流时周围出现磁场，表明导线上有分布电感效应，综上，传输线的模型由串联的电感、电阻和并联的电容组成，等效模型如图2所示。

基于传输线理论分析的信号传输会出现信号反射、串扰、电磁辐射等一系列问题。当传输线上的阻抗出现不匹配时，在传输线上传输的信号有一部分会反射回源端［4］。在典型的数字系统中，驱动器的输出阻抗通常小于PCB互联信号线的特征阻抗，而PCB互联信号线的特征阻抗也总是小于接收器的输入阻抗。这种阻抗的不连续性就会导致设计系统中信号反射的出现。由反射会引起传输线之间的串扰和电磁辐射问题。

图2 传输线等效模型

2 POF光电收发模块的工作原理

POF光纤收发模块由两部分组成，如图3所示，接收模块由光检测器、前置放大器和限幅放大器组成［5］。从光纤传输过来的光信号经过光检测器转换成微弱的电信号，经过前置放大器转换为差分信号进行传输，信号经过限幅放大后以差分形式送给主板，其中激光接收器和激光发射器采用FIRECOMMS公司的EDL1000T，发射接收激光波长为650nm。发射部分由激光器和驱动芯片组成，从主板上传过来的信号经过激光驱动芯片的调制以及激光器的电光转换，从而转变为光信号进行传输。

图3 千兆POF光纤收发器发射/接收模块工作原理图

3 收发模块信号完整性仿真与分析

在进行PCB设计的时候，对于收发模块的布局，首先需要考虑下面因素:

(1)在发射部分，为了减小噪声干扰，应使激光器和驱动器尽可能的靠近，从而最大程度的减小耦合因素;

(2)光信号经过光检测器转换为电信号后，首先经过前置预放芯片MAX3744的放大(内置在EDL1000T中)，再送入主放芯片MAX3748进行进一步的放大。但由于从MAX3744输出的信号幅度很小，因此为了最大程度的减小干扰，必须使前放芯片和主放芯片尽可能地接近，这样才能保证信号的准确接收;

(3)定性的分析EMI理论后，各电源引脚的旁路电路应该尽可能地靠近电源引脚。

考虑上述因素后的初步布局图如图4所示:

图4 POF收发器PCB初步布局图

在进行仿真前首先必须确定好板子的层叠结构，由MAX3748的芯片资料可知［6］，其差分线的单端输出阻抗为50ohm，根据差分线理论，在没有耦合的情况下，两根平行的微带线之间的差分阻抗等于单端阻抗的2倍，使用Polar Si9000软件进行层叠的设置，仿真层叠结构的参数设置如图5所示。

图5100 ohm差分阻抗层叠设计

提取前置预放芯片MAX3744与限幅放大MAX3748之间的差分拓扑，修改仿真参数，拓扑结构及波形如图6、7所示，可以看出，波形比较稳定，没有出现较大的过冲、下冲和振铃等现象，完全符合芯片手册(220－400mVpp)的要求。

图6 MAX3744与MAX3748差分线拓扑结构图

图7 MAX3744与MAX3748差分线仿真波形图

MAX3748与千兆网口之间的互联网络拓扑，传输线设置为理想状况下的无损传输线，如图8所示，从图8中可以看到，信号完全处于失真，发送出去的信号和接收到的信号完全不符合，造成以上问题的原因主要有以下几个方面:(1)由MAX3748芯片手册可知，芯片的差分输出端的阻抗为100ohm，在进行设计时，采用的是默认的50ohm单线阻抗，需要进行差分线阻抗匹配设计，并使用上拉端接电阻进行阻抗匹配;(2)对于连接器，使用的是软件自带的差分信号接收端模型，其处于高阻态，对于信号的反射十分严重，所以造成信号的失真，如图9所示。

图8 MAX3748与千兆网口拓扑结构图

图9 MAX3748与千兆网口仿真波形

进行差分阻抗匹配并且添加端接上拉电阻，进行改进后的差分拓扑结构如图10所示，仿真波形图如图11所示。从仿真波形可以看出，信号具有较好的完整性，符合要求。

图10进行差分线阻抗匹配后的拓扑结构图

图11 进行差分线阻抗匹配后的仿真波形

对串扰进行仿真，因为差分线具有较强的抗干扰能力，对差分线和其他信号线之间的串扰进行仿真，建立串扰拓扑结构如图12所示，仿真波形如图13所示。

图12 串扰仿真拓扑结构图

图13 串扰仿真波形图

从图13可以看出差分线因为其本身是利用耦合功能来实现信号的传输，具有较强的抗干扰能力，从图中的仿真可以看出，差分线的串扰振幅只有119.266mV，但是由于差分线的频率很高，很容易干扰相邻的信号线，从仿真拓扑结果图可以看出，这里把一对差分信号线和信号线一起加载仿真，信号线的振幅很大，达到了889.908mV，说明差分线容易干扰其它信号线，我们在设计PCB时必须对差分线设计采取保护措施，比如对差分线采取“包地”处理，尽量让其它信号线远离差分线，采用“3W”布线准则［7］。

4 结束语

本文通过Cadence PCB SI工具对POF光纤收发器进行PCB设计中的信号完整性分析，首先使用Polar Si9000软件对差分线进行阻抗匹配设计，根据软件计算得出的结果对PCB的叠层进行设置，然后进行板级仿真，对阻抗失配的两个器件采取端接上拉电阻的措施使之阻抗匹配，确保两个失配元器件之间信号传输的完整性;最后本文对差分线和其它信号线之间的串扰进行仿真分析，为不同信号线之间的走线距离提供可靠的依据。

［1］黄豪佑，董辉，卢建刚，等.Cadence高速PCB设计与仿真分析［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006:6－7.

［2］Eric Bogatin.Signal Integrity:Simplified［M］.New Jersey:Prentice Hall PTR，2004:515－585.

［3］Howard Johnson，Martin Graham.High-Speed Digital Design-A Handbook of Block Magic.Englewood Cliffs［M］.New Jersey:Prentice Hall PTR，1993:208－217.

［4］邵鹏.高速电路设计与仿真分析:Cadence实例设计详解［M］.北京:电子工业出版社，2010:9－72.

［5］刘静，李桥梁，吴洪涛.光纤收发器的设计［J］.电子机械工程，2002，18(5):28－31.

［6］Maxim Integrated Products.Maxim IBIS Model［EB/OL］.http://www.maxim-ic.com/tools/ibis/index.cfm，2010－12－06.

［7］纪静，屈涛.千兆光纤收发器的信号完整性设计［C］.西安:全国抗恶劣环境计算机第十八届学术年会论文集，2008:154－158.