周慧芳

（華東交通大學 職業(yè)技術學院，南昌 330013）

0 引言

在光纖通信系統(tǒng)的設計中，由于大量使用集成電路、無源器件（電阻，電容，電感）和PC板，因此所有以上器件都將影響系統(tǒng)性能。例如高速數(shù)據(jù)信號在傳輸過程中的波形和速率是被上升/下降時間、輸出阻抗、器件的封裝，傳輸線阻抗和輸入阻抗等多個因素決定的。因此很精確難判斷信號從一個IC到另外一個IC后的改變；所以仿真分析是十分必要的。其中仿真分析的內容包括芯片的選擇是否滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求；芯片I/O接口是否滿足系統(tǒng)設計要求；是否滿足信號完整性SI的要求等。當在軟件模擬的基礎上完成設計方案時，在進行實際產品設計和調試，能夠提高設計的成功率，并且節(jié)省設計開發(fā)成本[1,2]。

1 PSpice軟件介紹

目前，國際上公認的電路仿真軟件以美國加利福尼亞大學伯克利分校開發(fā)研制的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）程序為國際上最為著名。OrCAD公司在繼續(xù)保留PSpice的基礎上，推出了功能齊全的EDA軟件包OrCAD/PSpice。在軟件輸入上采用圖形和文本兩種方式，也可結合兩種輸入方式靈活運用[3]。

PSpice具有特色的PROBE功能，提供了全功能、全頻段的測試儀器平臺：直流分析，主要對工作點分析OP，掃描分析DC、小信號靈敏度分析SENS和轉移函數(shù)TF計算等；頻域分析；時域分析，包括瞬態(tài)分析、頻譜分析、失真度分析和快速FFT等；還可進行器件容差統(tǒng)計分析，包括蒙特卡洛分析MC和最壞情況分析WCASE等。同時也能對溫度進行掃描[6,7]。

而在本論文中，主要是采用對器件的PSpice電路網表的分析，建立具體的電路圖，通過參數(shù)的設置進行器件仿真，以檢測是否滿足設計要求。在MAXIM的期間網表中，為書寫的統(tǒng)一，將對器件的特殊端口和接口進行編號，以增強可通用性。比如對信號輸入端IN+/-、電源端、接地端和信號輸出端OUT+/-等，具體的標準參看下表：

表1 端口和網絡標號的對應關系

2 MAX3801建模分析

本論文以MAXIM公司的MAX3801為例來說明PSpice模型的應用。MAX3801是專為同軸電纜和雙絞線點對點通信系統(tǒng)設計的自適應電纜均衡器[4]。該均衡器可接收差分CML輸入數(shù)據(jù)，并能夠均衡差分或單端信號。其由CML輸入緩沖器、信號丟失檢測器、放大器、電流引導網絡、雙功率檢測器反饋回路和CML輸出緩沖器組成。當隨機比特流的功率譜形狀可用sinc2函數(shù)的形式來表示時，（其中 sinc f=(sin πf)/ πf）從 sinc2(f)函數(shù)的波形，可以估算任意兩個頻率的功率密度之比。在其基本的功能電路的基礎上，集成IC還加入了能夠連續(xù)監(jiān)視兩個功率的反饋回路、動態(tài)調節(jié)均衡器的控制電路和ESD保護電路。

2.1 輸入接口電路模型

而在光纖通信系統(tǒng)的設計過程中，主要的一個指標是輸入、輸出接口的特性。而本例中的輸入和輸出緩沖器采用電流型邏輯CML實現(xiàn)，因此本文將著重分析CML接口的輸入/輸出電路建模和分析特性。

在MAX3801的輸入電路中，采用分層設計子電路的方法來設計模型。其輸入信號采用標準脈沖電源來提供3.2Gbps的高速數(shù)據(jù)信號流，并采用INPKG和INBUF分別封裝輸入信號電路和輸入緩沖電路；為盡可能的滿足芯片EMI要求，在INPKG中主要封裝濾波網絡，其信號輸入端也要分別串聯(lián)一個RC電路；而在輸入緩沖的電路中起核心器件就是兩個晶體管N11A03和ESD保護電路。其電路框圖如圖1所示。

圖1 輸入接口的電路模型

在圖1中，根據(jù)PSpice語言的要求和MAX3801器件手冊的3.3V的供電要求：設置輸入源的兩個脈沖型標準源為：電源初始電壓和峰值電壓分別為3.3V和2.5V、延遲時間0.2ns、上升時間0.075ns、下降時間0.075ns、脈沖寬度0.250ns和周期0.620ns；其PSpice語言描述為：

VINA 2 0 PULSE (3.3 2.5 0.2n 0.075n 0.075n 0.250n 0.620n)

VINB 3 0 PULSE (2.5 3.3 0.2n 0.075n 0.075n 0.250n 0.620n)

靜電保護電路ESD主要用雙極性晶體管PNP和電阻RS、RSUB組成，其詳細的電路語言描述為：

CP1EPI 1 4 8.743F

QD 5 4 1 5 QESD

RS 4 2 32.058 TC=2.813M, 2.043U

RSUB 5 21 16.621K

CTRENCH 2 5 6.455F

.MODEL QESD PNP( IS=6.109E-019 NF=1.050 BF=800M BR=600U CJE=12.463F VJE=640M MJE=330M CJC=5.346F VJC=790M MJC=460M )

在INBUF封住的輸入緩沖電路中，其核心器件為Q3、Q4，也都是由雙極性晶體管NPN所組成的子電路組成，其電路模型根據(jù)電路網表得到一下INBUF電路圖2，而其核心的器件Q1、Q2晶體管的參數(shù)設置分別如下為：

Q1為NPN型晶體三極管:IS=6.897E-018 XTI=3 EG=1.155 BF=331.407 BR=36 XTB=0 VAF=100 VAR=2 NF=1.018 NR=1.018 NE=2 NC=1.560 IKF=22.765M IKR=556.875U ISE=4.455E-016 ISC=2.005E-030 RB=29.695 RBM=22.271 IRB=2.005M CJE=10.919F MJE=463M VJE=1.040 FC=990M CJC=7.144F MJC=400M VJC=890M TF=2.631P TR=19N XTF=100 VTF=5 ITF=65.510M PTF=5 KF=9.000E-016 AF=1.500

Q2為PNP型晶體三極管：IS=5.724E-020 CJE=7.216E-017 MJE=400M VJE=890M CJC=5.346F MJC=460M VJC=790M BF=10K BR=55.381M TF=1N FC=900M

圖2 INBUF子電路圖

2.2 輸出接口電路模型

由于電路輸出接口的分析步驟和方法同電路輸入接口方法相同，在此將不再贅述。同理可以得到輸出接口的電路模型如圖3所示。

在圖3中，同樣也包含兩個部分：DRVOUT封裝的輸出緩沖電路和OUTPFK封裝的輸出信號電路。其中DRVOUT子電路時描述的實際的末端電路。信號是由內部電路的兩個脈沖源通過50Ω電阻分別與晶體管Q1、Q2相連來實現(xiàn)的；其中由N14E062晶體管Q1、Q2組成差分共射端放大器；它們的射極通過一個14.8mA的電流源接地；而它們的集電極則連接到靜電保護二極管上，以滿足高速通信EMC要求。而在子電路OUTPKG中，差分信號分別通過由L14、C14和L13、C13組成的RC電源網絡分別輸出到OUT+/-端。

值得注意的事，在MAXIM公司的IC芯片中，在器件模型中給出了詳細的互感和耦合電容值。因此在電路模型中，所有的未連接的引腳要接地或者接VCC。

圖3 輸出接口的電路模型

3 接口電路仿真

由以上對輸入和輸出的接口電路模型的分析，將在本節(jié)中對其進行仿真和分析。在PSpice軟件中通過電路描述文件和參數(shù)的設置，然后進行仿真，最后在Proble中打開仿真波形。以下圖4和圖5分別為電路輸入、輸出接口電路仿真波形。

圖4 輸入接口仿真波形

圖4中顯示的是信號源V(8)、V(9)、輸入波形V(2001)、V(2002)即為晶體管Q3、Q4基極的輸出波形。其波形顯示的是對50?阻抗匹配的傳輸線的輸入反應，而終端阻抗和封裝電容值的選取就是根據(jù)此波形同手冊參數(shù)對比才能決定的。因此該仿真對參數(shù)的選取和電源的優(yōu)化具有重要作用。

圖5則是MAX3801的輸出接口的仿真波形。V(2001)和V(2002)是輸出緩沖器對50Ω的負載驅動的輸出波形。具體的參看圖3的輸出接口電路模型：在每個輸出端均串聯(lián)一個由50Ω的電阻和0.2pF的電容組成的RC網絡；為減小兩個差分輸出端OUT+和OUT-之間的干擾，早兩輸出端之間也并聯(lián)了一個0.02pF的電容。

圖5 輸出接口仿真波形

通過仿真波形和器件資料提供的參數(shù)進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)結果基本吻合，因此仿真波形較地體現(xiàn)了器件的特性。

4 結論

通過本文的仿真，可以看到通過對器件的模型的仿真，能夠驗證器件參數(shù)是否滿足設計需求、外圍參數(shù)是否滿足EMC要求等，對電路設計具有現(xiàn)實的指導參考意義[5]。但在實際設計調試過程中，還要考慮高速電路布線和期間布局問題等各方面的因素，才能設計出具有理想特性的通信產品。

[1] 光纖在線，http://www.c-fol.net/.

[2] MAXIM Corp. Input/Output Models for Maxim Fiber Components[S], Application Note HFAN-06.1 2007,www.maximic.com.

[3] 蘇宏宇. PSpice電路編輯程序設計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[4] MAXIM Corp Introduction IC MAX3801; http://www.chinaeds.com.

[5] MAXIM Corp.Optimizing the Resolution of Laser Driver Current Settings Using a Linear Digital Potentiometer;MAXIM Application Note:HFAN-02.3.3,2006, www.maximic.com.

[6] www.PSpice.com,Cadence公司PSpice軟件技術支持網站.

[7] PSpice Schematics User's Guide,Cadence Corp 2000.