基于PSpice的MAXIM集成IC的接口仿真分析

周慧芳

（华东交通大学 职业技术学院，南昌 330013）

0 引言

在光纤通信系统的设计中，由于大量使用集成电路、无源器件（电阻，电容，电感）和PC板，因此所有以上器件都将影响系统性能。例如高速数据信号在传输过程中的波形和速率是被上升/下降时间、输出阻抗、器件的封装，传输线阻抗和输入阻抗等多个因素决定的。因此很精确难判断信号从一个IC到另外一个IC后的改变；所以仿真分析是十分必要的。其中仿真分析的内容包括芯片的选择是否满足系统数据传输速率的要求；芯片I/O接口是否满足系统设计要求；是否满足信号完整性SI的要求等。当在软件模拟的基础上完成设计方案时，在进行实际产品设计和调试，能够提高设计的成功率，并且节省设计开发成本[1,2]。

1 PSpice软件介绍

目前，国际上公认的电路仿真软件以美国加利福尼亚大学伯克利分校开发研制的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）程序为国际上最为著名。OrCAD公司在继续保留PSpice的基础上，推出了功能齐全的EDA软件包OrCAD/PSpice。在软件输入上采用图形和文本两种方式，也可结合两种输入方式灵活运用[3]。

PSpice具有特色的PROBE功能，提供了全功能、全频段的测试仪器平台：直流分析，主要对工作点分析OP，扫描分析DC、小信号灵敏度分析SENS和转移函数TF计算等；频域分析；时域分析，包括瞬态分析、频谱分析、失真度分析和快速FFT等；还可进行器件容差统计分析，包括蒙特卡洛分析MC和最坏情况分析WCASE等。同时也能对温度进行扫描[6,7]。

而在本论文中，主要是采用对器件的PSpice电路网表的分析，建立具体的电路图，通过参数的设置进行器件仿真，以检测是否满足设计要求。在MAXIM的期间网表中，为书写的统一，将对器件的特殊端口和接口进行编号，以增强可通用性。比如对信号输入端IN+/-、电源端、接地端和信号输出端OUT+/-等，具体的标准参看下表：

表1 端口和网络标号的对应关系

2 MAX3801建模分析

本论文以MAXIM公司的MAX3801为例来说明PSpice模型的应用。MAX3801是专为同轴电缆和双绞线点对点通信系统设计的自适应电缆均衡器[4]。该均衡器可接收差分CML输入数据，并能够均衡差分或单端信号。其由CML输入缓冲器、信号丢失检测器、放大器、电流引导网络、双功率检测器反馈回路和CML输出缓冲器组成。当随机比特流的功率谱形状可用sinc2函数的形式来表示时，（其中 sinc f=(sin πf)/ πf）从 sinc2(f)函数的波形，可以估算任意两个频率的功率密度之比。在其基本的功能电路的基础上，集成IC还加入了能够连续监视两个功率的反馈回路、动态调节均衡器的控制电路和ESD保护电路。

2.1 输入接口电路模型

而在光纤通信系统的设计过程中，主要的一个指标是输入、输出接口的特性。而本例中的输入和输出缓冲器采用电流型逻辑CML实现，因此本文将着重分析CML接口的输入/输出电路建模和分析特性。

在MAX3801的输入电路中，采用分层设计子电路的方法来设计模型。其输入信号采用标准脉冲电源来提供3.2Gbps的高速数据信号流，并采用INPKG和INBUF分别封装输入信号电路和输入缓冲电路；为尽可能的满足芯片EMI要求，在INPKG中主要封装滤波网络，其信号输入端也要分别串联一个RC电路；而在输入缓冲的电路中起核心器件就是两个晶体管N11A03和ESD保护电路。其电路框图如图1所示。

图1 输入接口的电路模型

在图1中，根据PSpice语言的要求和MAX3801器件手册的3.3V的供电要求：设置输入源的两个脉冲型标准源为：电源初始电压和峰值电压分别为3.3V和2.5V、延迟时间0.2ns、上升时间0.075ns、下降时间0.075ns、脉冲宽度0.250ns和周期0.620ns；其PSpice语言描述为：

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)

静电保护电路ESD主要用双极性晶体管PNP和电阻RS、RSUB组成，其详细的电路语言描述为：

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封住的输入缓冲电路中，其核心器件为Q3、Q4，也都是由双极性晶体管NPN所组成的子电路组成，其电路模型根据电路网表得到一下INBUF电路图2，而其核心的器件Q1、Q2晶体管的参数设置分别如下为：

Q1为NPN型晶体三极管: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为PNP型晶体三极管：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

图2 INBUF子电路图

2.2 输出接口电路模型

由于电路输出接口的分析步骤和方法同电路输入接口方法相同，在此将不再赘述。同理可以得到输出接口的电路模型如图3所示。

在图3中，同样也包含两个部分：DRVOUT封装的输出缓冲电路和OUTPFK封装的输出信号电路。其中DRVOUT子电路时描述的实际的末端电路。信号是由内部电路的两个脉冲源通过50Ω电阻分别与晶体管Q1、Q2相连来实现的；其中由N14E062晶体管Q1、Q2组成差分共射端放大器；它们的射极通过一个14.8mA的电流源接地；而它们的集电极则连接到静电保护二极管上，以满足高速通信EMC要求。而在子电路OUTPKG中，差分信号分别通过由L14、C14和L13、C13组成的RC电源网络分别输出到OUT+/-端。

值得注意的事，在MAXIM公司的IC芯片中，在器件模型中给出了详细的互感和耦合电容值。因此在电路模型中，所有的未连接的引脚要接地或者接VCC。

图3 输出接口的电路模型

3 接口电路仿真

由以上对输入和输出的接口电路模型的分析，将在本节中对其进行仿真和分析。在PSpice软件中通过电路描述文件和参数的设置，然后进行仿真，最后在Proble中打开仿真波形。以下图4和图5分别为电路输入、输出接口电路仿真波形。

图4 输入接口仿真波形

图4中显示的是信号源V(8)、V(9)、输入波形V(2001)、V(2002)即为晶体管Q3、Q4基极的输出波形。其波形显示的是对50Ω阻抗匹配的传输线的输入反应，而终端阻抗和封装电容值的选取就是根据此波形同手册参数对比才能决定的。因此该仿真对参数的选取和电源的优化具有重要作用。

图5则是MAX3801的输出接口的仿真波形。V(2001)和V(2002)是输出缓冲器对50Ω的负载驱动的输出波形。具体的参看图3的输出接口电路模型：在每个输出端均串联一个由50Ω的电阻和0.2pF的电容组成的RC网络；为减小两个差分输出端OUT+和OUT-之间的干扰，早两输出端之间也并联了一个0.02pF的电容。

图5 输出接口仿真波形

通过仿真波形和器件资料提供的参数进行比较，发现两者的数据结果基本吻合，因此仿真波形较地体现了器件的特性。

4 结论

通过本文的仿真，可以看到通过对器件的模型的仿真，能够验证器件参数是否满足设计需求、外围参数是否满足EMC要求等，对电路设计具有现实的指导参考意义[5]。但在实际设计调试过程中，还要考虑高速电路布线和期间布局问题等各方面的因素，才能设计出具有理想特性的通信产品。

[1] 光纤在线，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] 苏宏宇. PSpice电路编辑程序设计[M].北京:国防工业出版社,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软件技术支持网站.

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