基于PSpice的MAXIM集成IC的接口仿真分析

周慧芳

（華東交通大學 職業技術學院，南昌 330013）

0 引言

在光纖通信系統的設計中，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性能。例如高速數據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數據傳輸速率的要求；芯片I/O接口是否滿足系統設計要求；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，并且節省設計開發成本[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TF計算等；頻域分析；時域分析，包括瞬態分析、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輸入數據，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函數的形式來表示時，（其中 sinc f=(sin πf)/ πf）從 sinc2(f)函數的波形，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還加入了能夠連續監視兩個功率的反饋回路、動態調節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，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的高速數據信號流，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此波形同手冊參數對比才能決定的。因此該仿真對參數的選取和電源的優化具有重要作用。

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進行比較，發現兩者的數據結果基本吻合，因此仿真波形較地體現了器件的特性。

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，能夠驗證器件參數是否滿足設計需求、外圍參數是否滿足EMC要求等，對電路設計具有現實的指導參考意義[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.