反射端接的HyperLynx实现研究

彭元杰, 郭杰荣, 曹斌芳



反射端接的HyperLynx实现研究

彭元杰, 郭杰荣, 曹斌芳

(湖南文理学院 物理与电子科学学院, 湖南 常德, 415000)

研究了电路中信号反射形成原理, 推导了反射的计算公式. 根据反射的本质提出了减少反射的新措施. 用HyperLynx软件对提出的端接措施进行了仿真验证. 仿真结果表明: 不同的端接技术在其适用的情况下能有效地改善甚至消除传输线中信号的反射.

信号完整性; 阻抗突变; 反射; 端接

高速电子时代已经来临, 电子产品对信号的处理速度越来越高, 印制电路板(PCB)除了连接、支撑元件, 还肩负着完整无误地传输信号的使命. 现在的高级电子系统, 频率一般都在几十到几GHz. 因此, PCB是一个高性能的系统结构. 由于高频电磁场的影响, 在PCB电路中的布线、过孔等因素已经产生了许多严重的电路问题, 主要表现在延迟、反射、串扰、同步噪声、电磁兼容性等方面. 这些现象最终导致电路的故障或是全面崩溃. 由于板层特性的变化, 信号已经不能在电路互连中畅通无阻地传输了, 这就要求在设计方法和手段上进行创新.

电路的信号完整性, 是指信号在电路中以正确的时序和电压做出响应的能力, 而反射则是其中最主要的问题. 为了弄清反射在信号完整性中的重要性, 分析反射机理以证明反射的存在就很有必要. 本文将从反射机理入手深入分析反射原理, 通过理论分析与假设相结合, 借以相应的实验手段来研究信号反射, 证明设计方法的正确性及可行性[1].

1 信号反射原理

根据电磁理论, 电路板线路的拐角、T型结构、过孔、封装、线宽、接插件的不连续变化等都会使信号在这些特殊结构处产生反射现象, 这也就是通常所说的振铃, 分析这些线路结构的特点, 有一点是相同的, 即线路外形的变化引起了阻抗变化.

当把信号加到驱动端时, 信号沿着传输线传播. 根据传输线模型理论, 传输线可等效为许多有对应瞬态阻抗的小段. 这些小段瞬态阻抗发生改变时, 在改变部位, 一部分信号将返回, 传播方向与原传播方向相反, 同时, 剩余部分信号将沿着原方向继续传播, 但是其幅度变小. 我们把瞬态阻抗发生变化的现象称为阻抗突变. 显然, 在电路中是因为阻抗突变引起了反射.

为了研究反射的原理, 反射的强弱程度用反射系数来衡量. 反射系数定义如下:

式中, Vin(t)、Vre(t)分别表示入射电压、反射电压. 为了得到反射系数与我们熟悉物理量的关系, 可以通过一个传输线的平面模型(图1)来分析.

图1中, 左边较宽灰色面表示较小阻抗1, 右边部分较窄面表示较大阻抗2. 信号从左至右传播. 假设在此不存在反射现象, 则信号传输到1与2的交界面时, 原电压、电流会继续无变化沿着传输线传输, 此时, 左右两边电压、电流关系必为:

因为, 任何电压、电流的不连续都会形成强大的电场和磁场, 但在PCB中这种现象不会出现[2-3]. 根据阻抗的定义, 相应瞬态阻抗表示为:

因此,1=2, 这与已知条件1<2不相符. 系统要维持平衡, 将必然存在反射信号, 并且, 输入电压与反射电压之和等于传输电压, 即:

以原电流方向为正方向, 反射电流与原电流方向相反, 则有:

, (5)

in()、re()、tr()分别为输入电流、反射电流与传输电流.

易得下列各阻抗表达式:

,

联立式(4)、(5)、(6)得到:

式(7)表明: 线路反射系数只与产生反射的分界处两侧的阻抗有关, 把信号遇负载的变化分3种情况分析, 这里2为负载阻抗.

a. 欠阻尼情形:1小于负载阻抗, 反射系数为正, 只有部分信号被负载端所吸收, 其余部分信号将反射回源端.

b. 过阻尼情形:1大于负载阻抗, 反射系数为负值, 源端信号提供的能量不足以满足负载端需求, 故用反射来引导源端输送更多的能量. 过阻尼和欠阻尼现象都会引起反射现象.

c. 临界阻尼情形:1等于负载阻抗, 反射系数为0,因此不会产生任何反射波, 是最理想的情况. 此时信号一半分配在负载阻抗上, 另一半分配在源端阻抗上, 在终端, 信号完全被负载吸收. 在实际工程设计中, 临界阻尼的条件是很难满足的, 所以, 通常将系统设计成轻微的过阻尼状态, 这样, 也就不会有明显的反射信号到达源端.

2 反射的仿真分析方法

由式(7)可以看出, 反射的衡量参数只与反射处两端的阻抗值有关, 因此, 阻抗计算成了反射分析的关键. 对于单一电阻电路, 阻抗计算可以通过公式很简单地计算得到. 但是, 工程设计中的大多数电路的阻抗结构是非常复杂的, 如果用手工计算反射情况下的各种参数, 将非常困难甚至不可能. PADS软件的信号完整性分析工具HyperLynx具有反射波形的仿真功能, 通过计算可把各项反射参数用波形表示出来.

用HyperLynx进行PCB信号完整性分析应当具备以下条件[4]:

a. 所分析的PCB必须已完成所有布线, 堆栈的设置正确;

b. 所分析的网络必须包含主动元件, 一般为集成电路的管脚, 并且有合适的信号完整性模型配置;

c. 电路中应包含连续电源和地分割层, 正确设置所有层的厚度, 特性阻抗和介电常数;

d. 适当参数的激励源.

满足了上述条件, 再根据需要设置参数, 就能得出正确的仿真结果. 下面使用HyperLynx工具分析一个异步收发机PCB的信号反射情况, 通过波形图可以看出电路存在的信号完整性问题. 以前, 电路工作频率不太高, 整个电路一般都会按照预定方案正常工作, 是一个成功的设计. 下面用2 MHz和20 MHz的2个方波测试信号分别作用于电路的RTSA网络, 用虚拟示波器观察U3的4脚波形如图2所示.

分析图2波形图可知, 信号在传输过程中产生了反射, 而且反射波成分幅度已经很明显.

测试信号频率为2 MHz时,反射波电压幅值在上升到最大值后很快(相对主信号)衰减.

测试信号频率为20 MHz时, 虽然反射波幅度没有实质性增大, 但是其波形变化在一个信号周期内已经非常明显.

因此, 低频测试信号受反射波形的影响较小, 一般不会造成电路问题; 而对于频率相对较高的测试信号, 其传输波形受反射的影响就很大了. 如仿真波形结果那样, 在20 MHz的方波条件下测试, 信号受反射波影响太大, 已经不再是原来的方波信号了, 这很容易引起电路的误动作.

图2 2种频率的测试信号在U3-4处产生的反射波形

在电子产品生产之前发现可能出现的电路故障是信号完整性分析的目的, 发现问题后可以及时寻求解决问题的措施. 对于电路产生的反射问题, 要找到改善方法, 可以从反射产生的内部原理入手. 在前面已经分析得到了反射的机理, 即阻抗的突变引发了信号的反射. 那么, 可否通过某些方法减小阻抗的突变, 达到改善反射的目的? 显然通过外接器件能改变电路的阻抗特性, 这种在电路中添加外接器件改变电路阻抗的方法就是端接, 端接的效果可以用信号完整性分析软件来检测.

3 端接对反射的改善

3.1 传输线端接的种类

传输线端接通常有2种: 终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联一个电阻, 使信号驱动端的输出阻抗和传输线的阻抗匹配. 但由于实际环境中温度等各种因素的影响, 在驱动端和传输线之间获得好的阻抗匹配并不容易. 终端阻抗端接有几种不同的具体形式, 接法如图3所示.

a. 并联端接: 将电阻或电容以和终端负载并联的方式接入, 使并联阻抗等于传输线特性阻抗.

b. 戴维南端接: 一个电阻R1连接到电源端做上拉电阻, 另一个电阻R2连接到地端做下拉电阻, 这个结构的戴维南等效电阻(R1与R2并联)等于传输线阻抗, 能吸收反射波, 达到最佳匹配.

c. 并行RC串联端接: 在终端负载处接一个并联电阻和隔离电容. 隔离电容可减少端接电路功耗, 消除反射的任务主要由电阻R完成. 这里, 电容和电阻值可根据RC时间常数和反射信号频率而定.

d. 二极管端接: 利用二极管的限幅特性, 端接二极管可以在线路特性阻抗未知的情况下, 部分改善反射波引起的过冲和欠冲, 但由于没有做到很好的阻抗匹配, 反射波仍然存在, 低幅部分无法消除.

图3 各种端接方法示意图

3.2 用HyperLynx分析反射问题及端接的效果

下面对前述收发机电路中RTSA网络进行各种端接分析. 设置10 MHz的脉冲为测试信号, 从U1-22输出至U3-4, 高电平为5 V, 低电平0 V, 堆栈设置默认. 分别进行源端端接、戴维南端接、终端C端接和终端RC端接分析, 图4为端接前后的波形比较.

4种端接方式对反射的改善效果有明显差别.

源端端接电阻对反射有一定的改善作用(图4(a)), 但是效果不太理想. 由反射理论可知, 在源端将形成二次反射, 波形幅度能被源端阻抗匹配方式大大削减. 最终反射波形是由多次反射波形叠加而成的, 一次反射是主要的, 二次反射所占份额不大, 因此, 源端端接对信号波形的影响不大.

图4 各种端接应用前后信号波形

图4(b)是戴维南端接方式. 终端端接电阻消除了一次反射, 当然也就不存在二次反射了, 解决了反射的根源问题. 因此, 终端端接电阻能完全消除反射, 不过, 各种终端端接方式有着细小差别: 单一电阻端接到GND将导致高电平电压塌陷; 单一电阻端接到VCC将使低电平抬高; 戴维南端接, 是同时通过电阻端接GND和VCC, 因此同时出现低电平抬升和高电平塌陷的情况, 导致高低电平差值减小, 这种减小应控制在一定范围内.

由于并联电容的高频阻止特性, 终端并联端接电容也有很好的效果(如图4(c)所示). 其并联容抗, 对一次反射有很大的削减作用, 但电容的电荷积累效应也会导致过冲问题. 为了解决这一问题, 将C端接改为并行RC串联端接, 电阻的负载效应消减了电荷的积累效应(图4(d)), 达到很好的效果. 但是不应过大, 否则, 使电容的充电时间增加, 使波形上升沿变缓.

总之, 改善反射强度最有效的方法就是使端接匹配. 反射波在负载反射系数为0时被完全消除. 在实际工程设计中, 选择终端端接方式是第一选择, 由于终端端接位置在终端, 是信号一次反射部位, 如果端接恰当, 使得反射系数为0, 就能从根本上消除一次反射, 这样也就能对振铃、电磁干扰(EMI)及射频干扰(RFI)等产生的噪声进行有效的抑制. 源端串行端接方式位置在信号驱动端, 当一次反射信号返回传输至这里时, 由于源端端接电路的作用, 不会产生二次反射现象. 这种端接方式只需要在源端串接一个电阻, 方法简单易行, 因此被广泛采用在各种电路中. 2种端接方式优缺点并存, 选择时需要根据实际情况, 由电路参数和仿真结果来验证和判断[5].

4 结语

从反射原理的分析到软件的仿真验证, 突出反映了反射这种信号完整性问题在现代高速电路中的普遍性, 通过对各种端接方法效果的软件模拟验证, 证明了各种端接能大大改善信号的反射效应. 在大量的高速电路系统中, 信号完整性问题还很多, 反射只是其中一种. 要在产品生产之前更多地解决在电路设计中出现的这些问题, 及早采取相应的有效措施, 就要更加深入细致地研究电路理论, 找到更多更优化的仿真分析方法, 积极关注本领域前沿最新技术发展, 这样才能使设计的电子产品在更复杂的环境下具有强的竞争力.

[1] 乔洪. 高速PCB信号完整性分析及应用[D]. 成都: 西南交通大学研究生院, 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] 周润景.PADS2007高速电路板设计与仿真[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009: 105-110.

[5] 胡海欣. 高速PCB板级信号完整性问题研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学研究生院, 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

湖南省教育厅科研项目(09C709); 湖南文理学院青年专项科研基金项目.

彭元杰(1977-), 男, 研究生, 讲师, 主要从事电路设计与仿真技术的研究. E-mail: pengyuanjie@163.com

(责任编校:江 河)