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高速电路设计中时序计算方法与应用实例

本文摘要:1符合接收端芯片的创建,维持时间的必要性 在高速数字电路设计中,由于趋肤效应、邻近阻碍、电流高速变化等因素,设计者无法全然地从数字电路的角度来审查自己的产品,而要把信号看做不稳定的模拟信号。使用频谱分析仪对信号分析,可以找到,信号的高频谱线主要来自于信号的变化沿而不是信号频率。例如一个1MHz的信号,虽然时钟周期为1微秒,但是如果其变化沿下降或下降时间为纳秒级,则在频谱仪上可以仔细观察到频率低约数百兆赫兹的谱线。

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1符合接收端芯片的创建,维持时间的必要性  在高速数字电路设计中,由于趋肤效应、邻近阻碍、电流高速变化等因素,设计者无法全然地从数字电路的角度来审查自己的产品,而要把信号看做不稳定的模拟信号。使用频谱分析仪对信号分析,可以找到,信号的高频谱线主要来自于信号的变化沿而不是信号频率。例如一个1MHz的信号,虽然时钟周期为1微秒,但是如果其变化沿下降或下降时间为纳秒级,则在频谱仪上可以仔细观察到频率低约数百兆赫兹的谱线。

因此,电路设计者应当更为注目信号的边沿,因为边沿往往也就是信号频谱最低、最更容易受到阻碍的地方。  在实时设计中,数据的加载必须基于时钟取样,根据以上分析,为了获得平稳的数据,时钟的取样点应当靠近数据的变化沿。  图1是利用时钟CLK的下降沿取样数据DATA的示例。

DATA发生变化后,必须等候最少Setup时间(创建时间)才能被取样,而取样之后,最少Hold时间(维持时间)之内DATA无法发生变化。因此可以显现出,器件的创建时间和维持时间的拒绝,正是为了确保时钟的取样点靠近数据的变化沿。如果在芯片的输出末端无法符合这些拒绝,那么芯片内部的逻辑将正处于非稳态,功能出现异常。  2时序分析中的关键参数  为了展开时序分析,必须从datasheet(芯片手册)中萃取以下关键参数:  ●Freq:时钟频率,该参数各不相同对芯片工作速率的拒绝。

  ●Tcycle:时钟周期,根据时钟频率Freq的倒数求出。Tcycle=1/Freq。

  ●Tco:时钟到数据输入的延时。上文提及,输出数据必须使用时钟取样,而输入数据某种程度也必须参照时钟,不过一般而言,比起时钟,输入的数据必须在芯片内延后一段时间,这个时间就称作Tco。该参数各不相同芯片生产工艺。  ●Tsetup(min):大于输出创建时间拒绝。

  ●Thold(min):大于输出维持时间拒绝。  除以上五个参数外,时序分析中还必须如下经验参数:  ●Vsig:信号传输速度。

信号在电路上传输,传输速度大约为6英寸/纳秒。  时序计算出来的目标是获得以下两个参数之间的关系:  ●Tflight-data:数据信号在电路板上的走线延时。  ●Tflight-clk:时钟信号在电路板上的走线延时。

  以上参数是展开时序分析的关键参数,对于普通的时序分析早已充足。  3源实时系统的时序计算出来  源实时系统指数据和时钟是由同一个器件驱动收到的情况,右图是少见的源实时系统流形结构:  该系统的特点是,时钟和数据皆由发送到末端器件收到,在接收端,利用接管到的时钟信号CLK取样输出数据信号DATA。

  源实时系统的时序计算公式为:  TCO(max)+(Tflight-data-Tflight-clk)MAX+Tsetup(min)Tcycle(式1)  TCO(min)+(Tflight-data-Tflight-clk)MINThold(min)(式2)  时序计算出来的最终目标是取得Tflight-data-Tflight-clk的容许区间,再行基于该区间,通过Vsig参数,推算时钟信号和数据信号的走线长度关系。  4SPI4.2模块时序分析  SPI4.2(SystemPacketInterfaceLevel4,Phase2)模块是国际的组织OIF制订的针对OC192(10Gbps)速率的模块。目前广泛应用在高速芯片上,作为物理层芯片和链路层芯片之间的模块。

SPI4.2的接口定义如下:  SPI4.2模块信号按照缴、放方向分成两组,如图3中,以T结尾的发送到信号组和以R结尾的接管信号组。每组又分成两类,以发送到信号组为事例,有数据类和状态类,其中数据类包括TDCLK、TDAT[15:0],TCTL,状态类包括TSCLK,TSTAT[1:0]。  其中,状态类信号是单端LVTTL信号,接收端利用TSCLK的下降沿对TSTAT[1:0]取样,方向为从物理层芯片放往链路层芯片;数据类信号是差分LVDS信号,接收端利用TDCLK的下降沿与上升沿对TDAT[15:0]和TCTL取样,即一个时钟周期展开两次取样,方向为从链路层芯片放往物理层芯片。  由于接管信号组与发送到信号组的时序分析类似于,因此本文仅有对发送到信号组展开时序分析。


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