反射端接的HyperLynx實(shí)現(xiàn)研究

彭元杰, 郭杰榮, 曹斌芳

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反射端接的HyperLynx實(shí)現(xiàn)研究

彭元杰, 郭杰榮, 曹斌芳

(湖南文理學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

研究了電路中信號反射形成原理, 推導(dǎo)了反射的計算公式. 根據(jù)反射的本質(zhì)提出了減少反射的新措施. 用HyperLynx軟件對提出的端接措施進(jìn)行了仿真驗(yàn)證. 仿真結(jié)果表明: 不同的端接技術(shù)在其適用的情況下能有效地改善甚至消除傳輸線中信號的反射.

信號完整性; 阻抗突變; 反射; 端接

高速電子時代已經(jīng)來臨, 電子產(chǎn)品對信號的處理速度越來越高, 印制電路板(PCB)除了連接、支撐元件, 還肩負(fù)著完整無誤地傳輸信號的使命. 現(xiàn)在的高級電子系統(tǒng), 頻率一般都在幾十到幾GHz. 因此, PCB是一個高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu). 由于高頻電磁場的影響, 在PCB電路中的布線、過孔等因素已經(jīng)產(chǎn)生了許多嚴(yán)重的電路問題, 主要表現(xiàn)在延遲、反射、串?dāng)_、同步噪聲、電磁兼容性等方面. 這些現(xiàn)象最終導(dǎo)致電路的故障或是全面崩潰. 由于板層特性的變化, 信號已經(jīng)不能在電路互連中暢通無阻地傳輸了, 這就要求在設(shè)計方法和手段上進(jìn)行創(chuàng)新.

電路的信號完整性, 是指信號在電路中以正確的時序和電壓做出響應(yīng)的能力, 而反射則是其中最主要的問題. 為了弄清反射在信號完整性中的重要性, 分析反射機(jī)理以證明反射的存在就很有必要. 本文將從反射機(jī)理入手深入分析反射原理, 通過理論分析與假設(shè)相結(jié)合, 借以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)手段來研究信號反射, 證明設(shè)計方法的正確性及可行性[1].

1 信號反射原理

根據(jù)電磁理論, 電路板線路的拐角、T型結(jié)構(gòu)、過孔、封裝、線寬、接插件的不連續(xù)變化等都會使信號在這些特殊結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生反射現(xiàn)象, 這也就是通常所說的振鈴, 分析這些線路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn), 有一點(diǎn)是相同的, 即線路外形的變化引起了阻抗變化.

當(dāng)把信號加到驅(qū)動端時, 信號沿著傳輸線傳播. 根據(jù)傳輸線模型理論, 傳輸線可等效為許多有對應(yīng)瞬態(tài)阻抗的小段. 這些小段瞬態(tài)阻抗發(fā)生改變時, 在改變部位, 一部分信號將返回, 傳播方向與原傳播方向相反, 同時, 剩余部分信號將沿著原方向繼續(xù)傳播, 但是其幅度變小. 我們把瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為阻抗突變. 顯然, 在電路中是因?yàn)樽杩雇蛔円鹆朔瓷?

為了研究反射的原理, 反射的強(qiáng)弱程度用反射系數(shù)來衡量. 反射系數(shù)定義如下:

式中, Vin(t)、Vre(t)分別表示入射電壓、反射電壓. 為了得到反射系數(shù)與我們熟悉物理量的關(guān)系, 可以通過一個傳輸線的平面模型(圖1)來分析.

圖1中, 左邊較寬灰色面表示較小阻抗1, 右邊部分較窄面表示較大阻抗2. 信號從左至右傳播. 假設(shè)在此不存在反射現(xiàn)象, 則信號傳輸?shù)?與2的交界面時, 原電壓、電流會繼續(xù)無變化沿著傳輸線傳輸, 此時, 左右兩邊電壓、電流關(guān)系必為:

因?yàn)? 任何電壓、電流的不連續(xù)都會形成強(qiáng)大的電場和磁場, 但在PCB中這種現(xiàn)象不會出現(xiàn)[2-3]. 根據(jù)阻抗的定義, 相應(yīng)瞬態(tài)阻抗表示為:

因此,1=2, 這與已知條件1<2不相符. 系統(tǒng)要維持平衡, 將必然存在反射信號, 并且, 輸入電壓與反射電壓之和等于傳輸電壓, 即:

以原電流方向?yàn)檎较? 反射電流與原電流方向相反, 則有:

, (5)

in()、re()、tr()分別為輸入電流、反射電流與傳輸電流.

易得下列各阻抗表達(dá)式:

,

聯(lián)立式(4)、(5)、(6)得到:

式(7)表明: 線路反射系數(shù)只與產(chǎn)生反射的分界處兩側(cè)的阻抗有關(guān), 把信號遇負(fù)載的變化分3種情況分析, 這里2為負(fù)載阻抗.

a. 欠阻尼情形:1小于負(fù)載阻抗, 反射系數(shù)為正, 只有部分信號被負(fù)載端所吸收, 其余部分信號將反射回源端.

b. 過阻尼情形:1大于負(fù)載阻抗, 反射系數(shù)為負(fù)值, 源端信號提供的能量不足以滿足負(fù)載端需求, 故用反射來引導(dǎo)源端輸送更多的能量. 過阻尼和欠阻尼現(xiàn)象都會引起反射現(xiàn)象.

c. 臨界阻尼情形:1等于負(fù)載阻抗, 反射系數(shù)為0,因此不會產(chǎn)生任何反射波, 是最理想的情況. 此時信號一半分配在負(fù)載阻抗上, 另一半分配在源端阻抗上, 在終端, 信號完全被負(fù)載吸收. 在實(shí)際工程設(shè)計中, 臨界阻尼的條件是很難滿足的, 所以, 通常將系統(tǒng)設(shè)計成輕微的過阻尼狀態(tài), 這樣, 也就不會有明顯的反射信號到達(dá)源端.

2 反射的仿真分析方法

由式(7)可以看出, 反射的衡量參數(shù)只與反射處兩端的阻抗值有關(guān), 因此, 阻抗計算成了反射分析的關(guān)鍵. 對于單一電阻電路, 阻抗計算可以通過公式很簡單地計算得到. 但是, 工程設(shè)計中的大多數(shù)電路的阻抗結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的, 如果用手工計算反射情況下的各種參數(shù), 將非常困難甚至不可能. PADS軟件的信號完整性分析工具HyperLynx具有反射波形的仿真功能, 通過計算可把各項(xiàng)反射參數(shù)用波形表示出來.

用HyperLynx進(jìn)行PCB信號完整性分析應(yīng)當(dāng)具備以下條件[4]:

a. 所分析的PCB必須已完成所有布線, 堆棧的設(shè)置正確;

b. 所分析的網(wǎng)絡(luò)必須包含主動元件, 一般為集成電路的管腳, 并且有合適的信號完整性模型配置;

c. 電路中應(yīng)包含連續(xù)電源和地分割層, 正確設(shè)置所有層的厚度, 特性阻抗和介電常數(shù);

d. 適當(dāng)參數(shù)的激勵源.

滿足了上述條件, 再根據(jù)需要設(shè)置參數(shù), 就能得出正確的仿真結(jié)果. 下面使用HyperLynx工具分析一個異步收發(fā)機(jī)PCB的信號反射情況, 通過波形圖可以看出電路存在的信號完整性問題. 以前, 電路工作頻率不太高, 整個電路一般都會按照預(yù)定方案正常工作, 是一個成功的設(shè)計. 下面用2 MHz和20 MHz的2個方波測試信號分別作用于電路的RTSA網(wǎng)絡(luò), 用虛擬示波器觀察U3的4腳波形如圖2所示.

分析圖2波形圖可知, 信號在傳輸過程中產(chǎn)生了反射, 而且反射波成分幅度已經(jīng)很明顯.

測試信號頻率為2 MHz時,反射波電壓幅值在上升到最大值后很快(相對主信號)衰減.

測試信號頻率為20 MHz時, 雖然反射波幅度沒有實(shí)質(zhì)性增大, 但是其波形變化在一個信號周期內(nèi)已經(jīng)非常明顯.

因此, 低頻測試信號受反射波形的影響較小, 一般不會造成電路問題; 而對于頻率相對較高的測試信號, 其傳輸波形受反射的影響就很大了. 如仿真波形結(jié)果那樣, 在20 MHz的方波條件下測試, 信號受反射波影響太大, 已經(jīng)不再是原來的方波信號了, 這很容易引起電路的誤動作.

圖2 2種頻率的測試信號在U3-4處產(chǎn)生的反射波形

在電子產(chǎn)品生產(chǎn)之前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的電路故障是信號完整性分析的目的, 發(fā)現(xiàn)問題后可以及時尋求解決問題的措施. 對于電路產(chǎn)生的反射問題, 要找到改善方法, 可以從反射產(chǎn)生的內(nèi)部原理入手. 在前面已經(jīng)分析得到了反射的機(jī)理, 即阻抗的突變引發(fā)了信號的反射. 那么, 可否通過某些方法減小阻抗的突變, 達(dá)到改善反射的目的? 顯然通過外接器件能改變電路的阻抗特性, 這種在電路中添加外接器件改變電路阻抗的方法就是端接, 端接的效果可以用信號完整性分析軟件來檢測.

3 端接對反射的改善

3.1 傳輸線端接的種類

傳輸線端接通常有2種: 終端阻抗端接和源端阻抗端接[2].

源端阻抗端接通常是在源端串聯(lián)一個電阻, 使信號驅(qū)動端的輸出阻抗和傳輸線的阻抗匹配. 但由于實(shí)際環(huán)境中溫度等各種因素的影響, 在驅(qū)動端和傳輸線之間獲得好的阻抗匹配并不容易. 終端阻抗端接有幾種不同的具體形式, 接法如圖3所示.

a. 并聯(lián)端接: 將電阻或電容以和終端負(fù)載并聯(lián)的方式接入, 使并聯(lián)阻抗等于傳輸線特性阻抗.

b. 戴維南端接: 一個電阻R1連接到電源端做上拉電阻, 另一個電阻R2連接到地端做下拉電阻, 這個結(jié)構(gòu)的戴維南等效電阻(R1與R2并聯(lián))等于傳輸線阻抗, 能吸收反射波, 達(dá)到最佳匹配.

c. 并行RC串聯(lián)端接: 在終端負(fù)載處接一個并聯(lián)電阻和隔離電容. 隔離電容可減少端接電路功耗, 消除反射的任務(wù)主要由電阻R完成. 這里, 電容和電阻值可根據(jù)RC時間常數(shù)和反射信號頻率而定.

d. 二極管端接: 利用二極管的限幅特性, 端接二極管可以在線路特性阻抗未知的情況下, 部分改善反射波引起的過沖和欠沖, 但由于沒有做到很好的阻抗匹配, 反射波仍然存在, 低幅部分無法消除.

圖3 各種端接方法示意圖

3.2 用HyperLynx分析反射問題及端接的效果

下面對前述收發(fā)機(jī)電路中RTSA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種端接分析. 設(shè)置10 MHz的脈沖為測試信號, 從U1-22輸出至U3-4, 高電平為5 V, 低電平0 V, 堆棧設(shè)置默認(rèn). 分別進(jìn)行源端端接、戴維南端接、終端C端接和終端RC端接分析, 圖4為端接前后的波形比較.

4種端接方式對反射的改善效果有明顯差別.

源端端接電阻對反射有一定的改善作用(圖4(a)), 但是效果不太理想. 由反射理論可知, 在源端將形成二次反射, 波形幅度能被源端阻抗匹配方式大大削減. 最終反射波形是由多次反射波形疊加而成的, 一次反射是主要的, 二次反射所占份額不大, 因此, 源端端接對信號波形的影響不大.

圖4 各種端接應(yīng)用前后信號波形

圖4(b)是戴維南端接方式. 終端端接電阻消除了一次反射, 當(dāng)然也就不存在二次反射了, 解決了反射的根源問題. 因此, 終端端接電阻能完全消除反射, 不過, 各種終端端接方式有著細(xì)小差別: 單一電阻端接到GND將導(dǎo)致高電平電壓塌陷; 單一電阻端接到VCC將使低電平抬高; 戴維南端接, 是同時通過電阻端接GND和VCC, 因此同時出現(xiàn)低電平抬升和高電平塌陷的情況, 導(dǎo)致高低電平差值減小, 這種減小應(yīng)控制在一定范圍內(nèi).

由于并聯(lián)電容的高頻阻止特性, 終端并聯(lián)端接電容也有很好的效果(如圖4(c)所示). 其并聯(lián)容抗, 對一次反射有很大的削減作用, 但電容的電荷積累效應(yīng)也會導(dǎo)致過沖問題. 為了解決這一問題, 將C端接改為并行RC串聯(lián)端接, 電阻的負(fù)載效應(yīng)消減了電荷的積累效應(yīng)(圖4(d)), 達(dá)到很好的效果. 但是不應(yīng)過大, 否則, 使電容的充電時間增加, 使波形上升沿變緩.

總之, 改善反射強(qiáng)度最有效的方法就是使端接匹配. 反射波在負(fù)載反射系數(shù)為0時被完全消除. 在實(shí)際工程設(shè)計中, 選擇終端端接方式是第一選擇, 由于終端端接位置在終端, 是信號一次反射部位, 如果端接恰當(dāng), 使得反射系數(shù)為0, 就能從根本上消除一次反射, 這樣也就能對振鈴、電磁干擾(EMI)及射頻干擾(RFI)等產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行有效的抑制. 源端串行端接方式位置在信號驅(qū)動端, 當(dāng)一次反射信號返回傳輸至這里時, 由于源端端接電路的作用, 不會產(chǎn)生二次反射現(xiàn)象. 這種端接方式只需要在源端串接一個電阻, 方法簡單易行, 因此被廣泛采用在各種電路中. 2種端接方式優(yōu)缺點(diǎn)并存, 選擇時需要根據(jù)實(shí)際情況, 由電路參數(shù)和仿真結(jié)果來驗(yàn)證和判斷[5].

4 結(jié)語

從反射原理的分析到軟件的仿真驗(yàn)證, 突出反映了反射這種信號完整性問題在現(xiàn)代高速電路中的普遍性, 通過對各種端接方法效果的軟件模擬驗(yàn)證, 證明了各種端接能大大改善信號的反射效應(yīng). 在大量的高速電路系統(tǒng)中, 信號完整性問題還很多, 反射只是其中一種. 要在產(chǎn)品生產(chǎn)之前更多地解決在電路設(shè)計中出現(xiàn)的這些問題, 及早采取相應(yīng)的有效措施, 就要更加深入細(xì)致地研究電路理論, 找到更多更優(yōu)化的仿真分析方法, 積極關(guān)注本領(lǐng)域前沿最新技術(shù)發(fā)展, 這樣才能使設(shè)計的電子產(chǎn)品在更復(fù)雜的環(huán)境下具有強(qiáng)的競爭力.

[1] 喬洪. 高速PCB信號完整性分析及應(yīng)用[D]. 成都: 西南交通大學(xué)研究生院, 2006.

[2] Eric Bogatin. Signal Integrity Simplified[M]. NJ: Prenti- ce Hall PTR, 2003. 20-30.

[3] Douglas Brooks. Signal Integrity Issues and Printed Circuit Board Design[M]. NJ: Prentice Hall PTR, 2003. 40-50.

[4] 周潤景.PADS2007高速電路板設(shè)計與仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009: 105-110.

[5] 胡海欣. 高速PCB板級信號完整性問題研究[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院, 2004.

Study for termination of reflections based on HyperLynx

PENG Yuan-jie, GUO Jie-rong, CAO Bin-fang

(Department of Physics and Electronices, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

The mechanism in forming reflection was studied, that is, the change in the instantaneous impedance caused signal reflections. The analysis worked out some measures on reducing reflections. The assumption was validated by signal integrity tool of HyperLynx. Simulation results indicate that proper termination can greatly improve signal reflections in transmission lines.

signal integrity; change in the instantaneous impedance; reflections; termination

10.3969/j.issn.1672-6146.2011.03.014

TN 41

1672-6146(2011)03-0050-04

2011-09-08

湖南省教育廳科研項(xiàng)目(09C709); 湖南文理學(xué)院青年專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目.

彭元杰(1977-), 男, 研究生, 講師, 主要從事電路設(shè)計與仿真技術(shù)的研究. E-mail: pengyuanjie@163.com

(責(zé)任編校:江 河)