基于Hyperlynx的反射仿真與分析

王 蕾，湯 偉，褚衍超

（上海航天控制技術(shù)研究所 上海201109）

基于Hyperlynx的反射仿真與分析

王 蕾，湯 偉，褚衍超

（上海航天控制技術(shù)研究所 上海201109）

反射是高速電路信號完整性的一個重要內(nèi)容，在高速電路設(shè)計中是不可忽視的。研究T型拓?fù)涞姆瓷溆嬎惴椒ǎ⒔柚鶰entorGraphics公司的信號完整性分析工具HyperLynx仿真軟件，對信號反射的多種因素進行分析。最后根據(jù)仿真結(jié)果，提出了減小反射的有效措施。

信號完整性；反射；Hyperlynx；仿真

隨著集成電路工藝的飛速發(fā)展，高速化和小型化已經(jīng)成為電路設(shè)計的一種趨勢。高速PCB設(shè)計的密度、復(fù)雜度越來越高，信號完整性成為了現(xiàn)代高速電路設(shè)計中必須要考慮的因素，其設(shè)計成敗直接關(guān)系到系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。PCB設(shè)計中最主要的信號完整性問題是反射和串?dāng)_，文中主要研究了T型拓?fù)渲蟹瓷鋵π盘柕挠绊懀ㄟ^仿真得到一些減弱電路中反射對信號影響的方法。

1 反射形成的機理

眾所周知，反射是由于傳輸線上的阻抗不連續(xù)所引起的，如圖1所示，當(dāng)信號從傳輸線終端的不連續(xù)阻抗處反射回來時，信號的一部分將反射回電源。當(dāng)反射信號到達信號源時，如果電源阻抗與傳輸線阻抗不相等，將再次發(fā)生反射。隨后，如果傳輸線兩端都存在阻抗不連續(xù)，那么，信號將在驅(qū)動器和接收器之間不斷反射，最終達到穩(wěn)態(tài)。

圖1 傳輸線中的反射

目前，已經(jīng)有了很多消除兩個器件之間的傳輸線上信號反射的方法，大致可分為3種，第一種是降低系統(tǒng)頻率，使得其他信號發(fā)送到傳輸線上之前，傳輸線上的反射已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)；第二種是縮短PCB走線，減少反射達到穩(wěn)態(tài)所需的時間；第三種是在傳輸線的兩端，分別端接一個與傳輸線特征阻抗相同的阻抗，以消除反射。但是，在實際的應(yīng)用中一條通路并非總是只連接兩個器件，通常情況下，會要求一個驅(qū)動器與兩個或多個接收器相連，此時互連通路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就會顯著地影響系統(tǒng)性能。文中以一個驅(qū)動器連接兩個接收器為例，通過仿真分析，研究減小T型電路拓?fù)渲蟹瓷涞姆椒ā?/p>

2 T型拓?fù)涞姆瓷溆嬎?/h2>

T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種，均衡T型拓?fù)浜头蔷釺型拓?fù)洌鐖D2所示。

圖2 T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用格形圖可以計算傳輸線上的反射對信號的影響，圖3是一個格形圖示例。圖中，左邊豎線代表傳輸線的信號源終端，右邊豎線代表負(fù)載終端，兩條豎線之間的斜線代表信號在信號源和負(fù)載之間不斷反射。自頂向下，表示時間的增加，圖中兩條豎線頂端標(biāo)有對應(yīng)的反射系數(shù)，小寫字母表示傳輸線上傳播的反射信號的幅度，大寫字母表示信號源端的電壓，帶“＇”的大寫字母表示負(fù)載端的電壓。

圖3 計算傳輸線上多次反射的格形圖

圖2中的均衡型拓?fù)淇梢杂萌鐖D4所示的格形圖來計算反射。圖中 ρ2、ρ4表示信號從驅(qū)動器向接收器傳輸時在N2和N3處的反射系數(shù)，ρ1、ρ3表示信號從接收器向驅(qū)動器傳輸時在N1和N2處的反射系數(shù)，T2表示信號從驅(qū)動器向接收器傳輸，到達N2點后部分信號繼續(xù)向前傳輸所對應(yīng)的傳輸系數(shù)，T3表示信號從接收器向驅(qū)動器傳輸，到達N2點后部分信號繼續(xù)向前傳輸所對應(yīng)的傳輸系數(shù)。

圖4 均衡T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對應(yīng)的格形圖

采用格形圖同樣可以計算非均衡型拓?fù)渲械姆瓷浯笮。撬挠嬎闶謴?fù)雜，在實際的工程應(yīng)用中可以利用Hyperlynx軟件進行電路反射的仿真分析。

3 仿真分析

圖5（a）是一個非均衡T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真模型，它的主線TL1和兩個分支TL2、TL3的阻抗都是50 ohms，TL2長度為1.5 inch，TL3長度為3 inch，接收端的波形如圖5（b）所示。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)兩個分支長度不相等時，電路中的反射非常嚴(yán)重。

圖6中，TL1、TL2、TL3的阻抗都是 50 ohms，TL2和TL3的長度都為1.5 inch，與圖5相比，傳輸線上信號的反射有明顯的減小。

圖5 非均衡T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真

圖6 TL2、TL3為1.5 inch時T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真

圖7中，TL1、TL2、TL3的阻抗都是50 ohms，TL2和TL3的長度都為0.5 inch。

將圖6和圖7放到一起比較，如圖8所示，可以看出，當(dāng)傳輸線的長度越長，信號的反射越強烈。

圖9中，TL1阻抗是50 ohms，TL2、TL3的阻抗都是100 ohms，TL2和TL3的長度都為0.5 inch。這種情況即為在結(jié)點處輸入端和輸出端的阻抗相等，與圖7相比，結(jié)果如圖9（b）所示，從圖中可以看出，當(dāng)結(jié)點處阻抗連續(xù)時，接收端的反射對信號的影響有所減弱。

圖10中，TL1阻抗是50 ohms，TL2、TL3的阻抗都是100 ohms，TL2和TL3的長度都為0.5 inch，在輸入端加入了匹配電阻（阻值可通過仿真軟件求得），仿真結(jié)果如圖10（b）所示，比較圖9和圖10可以看出，加入了匹配電阻可以減弱電路中反射對信號的影響。

圖7 TL2、TL3為0.5 inch時T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真

圖8 不同長度的傳輸線反射情況比較

圖9 阻抗連續(xù)時T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真

4 結(jié)束語

通過仿真分析，我們可以知道在T型拓?fù)涞腜CB設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)盡量使每條分支的長度相同，阻抗相等，并且應(yīng)當(dāng)盡量將拓?fù)涞墓?jié)點處的阻抗不連續(xù)降到最小。必要時，可以在源端串聯(lián)匹配電阻，從而降低反射對信號的影響。

圖10 源端加入匹配電阻時T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真

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Simulation and analysis of signal reflections based on Hyperlynx

WANG Lei，TANG Wei，CHU Yan-chao
（Shanghai Aerospace Control Technology Research Institute，Shanghai 201109，China）

Reflection is an important part of the signal integrity of high speed circuit，which can not be ignored in the design of high speed circuit.Research reflection calculation method of T type topology，and with the help of MentorGraphics company’s signal integrity analysis tool HyperLynx simulation software，analyse various factors of signal reflection.Finally，propose the effective measures to reduce the reflection according to the simulation results.

signal integrity；reflections；hyperlynx；simulation

TN79

A

1674－6236（2016）23-0170-03

2016-02-21稿件編號：201602086

王 蕾（1988—），女，江蘇東臺人，碩士，助理工程師。研究方向：電機與電器。