爱特梅尔基于ARM Cortex-M3微控制器嵌入信号完整性解决方案
由于低功耗领域（手持式或工业应用）的消费者要求产品在更小的PCB尺寸上提供更高的性能，故工程师必须提高这些应用产品的电路密度，经常需要设计带有公用电源轨的数字、模拟和传感器电路，以节省空间，并满足EMI要求。为了实现一个能够符合这些限制条件的可行应用，工程师必须考虑到公用电源的噪声、数字信号失真源、更低的电磁辐射等各种属于信号完整性领域的常见问题。
在解决高速数字电路中存在的传输线问题时，应用开发人员有时会碰到一些问题。他们利用串联信号端接或并联端接，或在同一根互连布线上同时采用二者进行实验。对于大多数系统级芯片（SoC）供应商而言，这些问题属于外部布线响应范畴，而非芯片设计阶段该解决的问题。为了帮助这些应用开发人员，芯片制造商一般提供I/O缓冲器信息规范（IBIS）模型，作为解决这一问题所必须的源文件。所有的器件制造商都提供有IBIS格式的输入/输出缓冲器电气特性数据。结合使用专用的信号完整性（SI）仿真工具，这些文件可以帮助应用开发人员在各种类似于目标应用的条件下对每一个缓冲器进行布局前 （Pre-Layout） 和布局后（Post-Layout）行为分析。
爱特梅尔（Atmel）凭借新一代基于ARM Cortex-M3的SAM3微控制器，锁定了片内嵌入信号端接解决方案的目标。这一选择根据支持渠道与现场应用工程师的现场反馈作出；它可以在满足最小嵌入式外设时序限制，同时又不会造成开关速度过快。爱特梅尔的SAM3产品是专门为应对信号与功率完整性问题，同时尽量减小PCB面积而设计。常见的信号端接模式有两种：片内增加并联或串联电路。在SAM3中，所有通用数字缓冲器输出都选择了串联端接模式，以降低功耗。
爱特梅尔SAM3 I/O没有任何过冲和“回铃（Ringback）”现象。这一结果意味着电流行为“比较安静”。除了每个数字缓冲器的高度完整性响应之外，爱特梅尔片内端接（ODT）解决方案在器件级和板级也对电源完整性有很有利的影响。当应用必须执行同步IIO开关时，频率较高，因此这种间接影响就成为一个重要问题，在外部总线接口的情况下是十分典型的。在这种情况下，减小每个I/O的瞬态电流可降低电源轨和共用接地端上的同步开关噪声。这就减少了已知的共模噪声源。
爱特梅尔的片内信号完整性解决方案的设计目的即是帮助应用开发人员降低PCB设计的复杂性和成本。不带端接解决方案的设计会增加严格的布线长度限制，并需要后版图仿真。而利用专用SI工具进行仿真是一项十分耗时的工作，或者是它可能对PCB设计转包商提出必要的特殊要求。例如利用不带端接元件而带标准布线的器件，布线长度被限制在1cm以下；利用SAM3微控制器，信号则可以在长达10cm的布线上传送。
爱特梅尔针对信号完整性的ODT解决方案可显著提高信号质量，减少外部元件数目，消除信号布线长度方面的许多限制。加之更高水平的存储器和外设集成化，以及更低的功耗等多项优势，ODT已成为爱特梅尔将其基于ARM的微控制器定位为交钥匙嵌入式系统这一策略不可或缺的部分。
由于低功耗领域(手持式或工业应用领域)的消费者要求产品在更小的PCB尺寸上提供更高的性能，故工程师必须提高这些应用产品的电路密度。工程师经常需要设计带有公用电源轨的数字、模拟和传感器电路，以节省空间，并满足EMI要求。为了实现一个能够符合这些限制条件的可行应用，工程师必须考虑到公用电源的噪声、数字信号失真源、更低的电磁辐射等各种属于信号完整性领域的常见问题。
在解决高速数字电路中存在的传输线问题时，应用开发人员有时会碰到一些问题。他们利用串联信号端接或并联端接，或在同一根互连布线上同时采用二者进行实验。对于大多数系统级芯片(SoC)供应商而言，这些问题属于外部布线响应范畴，而非芯片设计阶段该解决的问题。为了帮助这些应用开发人员，芯片制造商一般提供IBIS模型，作为解决这一问题所必须的源文件。
说明
所有的器件制造商都提供有I/O缓冲器信息规范(IBIS)格式的输入/输出缓冲器电气特性数据。这些文件，结合使用专用的信号完整性(SI)仿真工具，可以帮助应用开发人员在各种类似于目标应用的条件下对每一个缓冲器进行布局前 (pre-layout) 和布局后( post-layout)行为分析。本文中的所有结果都是采用制造商的IBIS模型通过SI工具获得。
爱特梅尔凭藉新一代基于ARMCortex-M3的SAM3微控制器，锁定了片内嵌入信号端接解决方案的目标。这一选择是根据支持渠道与现场应用工程师的现场反馈来作出的，一方面它可以在满足最小嵌入式外设时序限制，同时又不会造成开关速度过快。爱特梅尔的SAM3产品是专门为应对信号与功率完整性问题，同时尽量减小PCB面积而设计。
端接模式：串联还是并联？
常见的信号端接模式有两种：片内增加并联或串联电路。在SAM3中，所有通用数字缓冲器输出都选择了串联端接模式，以降低功耗。表1是SAM3数字输出与市场上另一个ARM Cortex M3-based微控制器的特征阻抗的比较。
表1：SAM3与另一款同类器件的特征输出阻抗的比较
本表比较了市面上两款ARM Cortex-M3 Based嵌入式系统的输出阻抗、转换时间和目标工作频率。
为了避免涉及过多理论知识，我们将在两种典型的客户条件下，对带片内端接(On-Die TerminaTIon，ODT)的SAM3 数字 I/O与另一款基于Cortex-M3 的产品作出比较。两款器件都通过以下元件来驱动端接电容性负载：
- 一根PCB 布线
- 一根电缆 (例如带状电缆)。
在估算中，两款器件都选择一个等效的通用输入/输出。
布线响应实例
在第一个比较研究中，我们采用了一个点到点拓扑：从通用I/O到带电容负载(代表典型CMOS输入负载)的标准PCB布线(图1)。
图1：典型PCB布线上的SAM3和同类通用I/O
从电压比较(b)可看出，相比同类器件，由于转换速度快，SAM3 (绿色)不包含任何振铃，因此没有过冲/下冲 。
在电流比较(c)中，我们注意到，SAM3在上升沿，大约10mA处开始出现电流尖峰减小，直到20mA处的对沿。
这个例子代表了大多数小型应用，即典型的I/O和外部CMOS输入器件之间的点到点连接。爱特梅尔已经通过嵌入ODT技术实现了两个重要目标。
- 抑制耦合引起的电压振铃 (边沿、布线等效 RLC 响应)。
- 减小通过每个I/O的输入或输出尖峰电流 。
当然，两种结果是密切相关的。相比同类器件，通过减少可能的振铃响应，爱特梅尔SAM3 I/O没有任何过冲和“回铃” (ringback)现象。这一结果意味着电流行为“比较安静”。除了每个数字缓冲器的高度完整性响应之外，爱特梅尔ODT解决方案在器件级和板级也对电源完整性有很有利的影响。当应用必须执行同步IIO开关时，频率较高，这种间接影响就成为一个重要问题，例如在外部总线接口的情况下这是十分典型的。在这种情况下，减小每个I/O的瞬态电流可降低电源轨和共用接地端上的同步开关噪声。这就减少了已知的共模噪声源。
带状电缆响应实例
带状电缆是一种常用的互连媒介，例如可用于连接显示器与另一块PCB板。在这种情况下，每个数字输出上都必须一个端接电阻。在这个例子中，我们选择了标准28 AWG、0.05间距带状电缆，并在一端采用两个数字缓冲器输出，另一端采用一个15pF的负载电容(图2)。
图2：典型带状电缆上的SAM3 与同类通用 I/O
2(c)：电流响应：绿色 – SAM3，红色 – 同类方案
第二个比较显示了嵌入式端接在电压和电流行为方面的效率。
电缆媒介的感应效应较大(相比布线媒介)，这种缺点正好展示出了SAM3在减小振铃方面的效率(图2(b))。从这些曲线可以看出，SAM3产品的电压过冲/下冲被大幅度减小。相比器件1，SAM3微控制器能够通过这种媒介正确驱动一个3.3V的数字信号，并确保充裕的抗噪容限。
信号完整性之外的优势
爱特梅尔的片内信号完整性解决方案的设计目的即是帮助应用开发人员降低PCB设计的复杂性和成本。不带端接解决方案的设计会增加严格的布线长度限制，并需要后版图仿真。而利用专用SI工具进行仿真是一项十分耗时的工作，或者是它可能对PCB设计转包商提出必要的特殊要求。正如我们在图3中看到的，利用不带端接元件而带标准布线(图1中定义的)的器件1，布线长度被限制在1cm以下；利用SAM3微控制器，信号可以在长达10cm的布线上传送。
图3： 1 cm PCB布线的器件1(红色)与10cm PCB布线的SAM3(绿色)的电压响应比较
器件1 与爱特梅尔SAM3器件的响应差不多相同，但器件1的布线长度只有SAM3的1/10。
对于器件1，几乎所有布线拓扑中都必须增添外部元件来实现信号端接。这会增加PCB的面积、布线密度(可能增加PCB的层数)和材料清单。它无法达到大多数嵌入式应用的小尺寸和低成本目标。
总结
爱特梅尔针对信号完整性的片内端接(ODT)解决方案可显著提高信号质量，减少外部元件数目，消除信号布线长度方面的许多限制。加之更高水平的存储器和外设集成化，以及更低的功耗等多项优势，ODT已成为爱特梅尔将其基于ARM的微控制器定位为交钥匙嵌入式系统这一策略不可或缺的部分。
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