收稿日期：2014－04－23

基金項(xiàng)目：陜西理工學(xué)院科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(slgky13-48)。

作者簡介：張志偉(1977-),男,湖南邵陽人,碩士,講師,主要研究方向:信號(hào)完整性分析、電子技術(shù)應(yīng)用。

摘要：傳輸線上的信號(hào)反射是造成過沖、 振鈴等信號(hào)完整性問題的主要原因，為解決高速信號(hào)傳輸過程中的反射問題，采用HyperLynx軟件仿真分析反射端接技術(shù)。利用HyperLynx軟件的前仿真工具Line Sim建立傳輸線模型，進(jìn)行了源端串行端接、簡單并行端接、主動(dòng)并行端接、戴維南端接和并行RC端接等形式的源端端接匹配和終端端接匹配研究。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，端接技術(shù)可以有效抑制傳輸線上的反射噪聲，改善高速電路的性能。

關(guān)鍵詞：信號(hào)完整性； 反射； HyperLynx； 仿真； 端接策略

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-2163（2014）03-0083-03

Simulation and Analysis of Suppressing the Reflection with Termination Strategies

ZHANG Zhiwei

(School of Physical and Telecommunication Engineering, Shanxi University of Technology, Hanzhong Shanxi 723000, China)

Abstract：Signal reflection in transmission line is the main cause of signal integrity issues such as overshoot, ringing, etc. Based on solving the refleotion problem in the process of high speed signal transmission , the paper uses the HyperLynx software of simulation tool Line Sim to establish the model of transmission line and carries on various termination matching studies, such as source end serial termination, simple parallel termination, active parallel termination, Thevenin termination, parallel RC termination and other forms of source end termination and terminal termination. The simulation results show that the termination technique can suppress the reflection noise on a transmission line and improve the performance of high-speed circuits.

Key words：Signal Integrity ; Signal Reflection; HyperLynx; Simulation; Termination Strategy

0引言

當(dāng)今，在飛速發(fā)展的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，信號(hào)頻率的提高，電路板尺寸的減少，布線密度的加大以及板層數(shù)目增多等一系列因素都會(huì)引起各種各樣的信號(hào)完整性問題，諸如過沖、振鈴等等。通過研究發(fā)現(xiàn)，傳輸線上的信號(hào)反射是引發(fā)該類問題的主要原因，而解決信號(hào)反射問題則是保證信號(hào)完整性的關(guān)鍵重點(diǎn)所在［1-2］。因此對(duì)于工程實(shí)踐來說，在電路板設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選取最佳的反射抑制方法即已成為保證信號(hào)完整性的必然解決途徑。采用信號(hào)完整性分析方法及相關(guān)技術(shù)，可在PCB設(shè)計(jì)前期進(jìn)行信號(hào)規(guī)則分析，這樣既可在設(shè)計(jì)過程中保證信號(hào)質(zhì)量，又可節(jié)省人力投入，在提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)，進(jìn)一步地滿足了市場(chǎng)要求［3-4］。

為了保證高速信號(hào)在傳輸過程中的信號(hào)完整性，并將反射對(duì)高速電路系統(tǒng)的負(fù)面影響降到最低，理論上可以采取三種方法來抑制物理傳輸線上的反射。這三種方法分別是：通過降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，使得傳輸線上的反射提前達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但卻降低了系統(tǒng)工作頻率、減緩了系統(tǒng)工作速度，對(duì)于高速電路系統(tǒng)是不可接受的；可通過縮短PCB走線，減小反射達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間，此時(shí)就需要使用多層PCB板，但若從成本角度考慮則并不可取；第三種從根本上抑制反射發(fā)生的方法就是端接阻抗匹配，在傳輸線的驅(qū)動(dòng)端與接收端端接匹配阻抗具有不同的特點(diǎn)，可分別適用于不同的場(chǎng)合。理論分析與仿真實(shí)踐都已表明，端接技術(shù)可以顯著改善高速電路中的信號(hào)反射效果，為此即可提供較完備的高速電路反射分析策略。而且，阻抗匹配的端接技術(shù)方案隨著互連長度和電路中邏輯器件的不同，也會(huì)相應(yīng)地有所不同。這就使得只有針對(duì)具體情況，并運(yùn)用恰當(dāng)正確的端接方法才能有效地減小信號(hào)反射，因此在高速電路中選取合適的電路端接方案時(shí)，需要根據(jù)具體情況通過分析仿真以獲取最佳的信號(hào)質(zhì)量［5-6］。

1信號(hào)反射端接技術(shù)的重要性分析

在高速電路系統(tǒng)中，傳輸線上阻抗不匹配會(huì)引起信號(hào)反射，減小和消除反射的方法是根據(jù)傳輸線的特性阻抗在其發(fā)送端或接收端進(jìn)行端接阻抗匹配，從而使源反射系數(shù)或負(fù)載反射系數(shù)為零。端接技術(shù)的仿真采用Mentor Graphics公司的信號(hào)完整性分析工具HyperLynx軟件［7］。在其Line- Sim仿真界面下建立一個(gè)6層PCB板模型，疊層結(jié)構(gòu)依次為頂端信號(hào)層（TOP）、地層（GND）、中間信號(hào)層（Inner Signal）、電源層1（VCC1）、電源層2（VCC2）、底端信號(hào)層（BOTTOM），電介質(zhì)介電常數(shù)設(shè)置為4.3，頂層設(shè)置為微帶傳輸線，線寬為24.3mils，線長為8inches；信號(hào)驅(qū)動(dòng)器和接收器均使用IBIS模型，采用Hyper Lynx軟件全封裝模型庫中的74TTL00芯片模型作為驅(qū)動(dòng)端緩沖級(jí)和接收端緩沖級(jí)，傳輸線長度設(shè)置為1 inches，給定條件為驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率100MHz，占空比為50%，初始條件下不進(jìn)行端接。圖1為未使用端接時(shí)傳輸線驅(qū)動(dòng)端和接收端電壓波形的仿真結(jié)果。

圖1未使用端接技術(shù)的傳輸線驅(qū)動(dòng)端和接收端電壓波形圖

Fig.1Voltage waveforms of the receiver and driving for

unused termination technology transmission line model

從圖1中可以看出，未使用端接技術(shù)時(shí)傳輸線所產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象較為明顯，圖中平緩的波形為信號(hào)源端波形，出現(xiàn)峰值的則為信號(hào)負(fù)載端波形，很明顯發(fā)現(xiàn)負(fù)載端產(chǎn)生了振鈴現(xiàn)象，而且激勵(lì)源的信號(hào)也變得很差，這樣的波形是不符合信號(hào)完整性要求的，將會(huì)引起很強(qiáng)的電磁輻射，因此需要采用端接技術(shù)來改善信號(hào)波形。從仿真軟件中驅(qū)動(dòng)器U（A0）的相關(guān)參數(shù)可以看出，驅(qū)動(dòng)器高、低電平的輸出阻抗分別為12Ω和6Ω，而傳輸線阻抗為50Ω，走線對(duì)應(yīng)的傳輸線延遲為1.231ns。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，走線最大的傳輸線延遲時(shí)間為信號(hào)上升時(shí)間的1/6，由此而推導(dǎo)出無端接情況下使用這個(gè)驅(qū)動(dòng)器的最大走線長度為2.5inch，縮短傳輸線長度后的傳輸線模型如圖2所示。第3期張志偉：端接方法抑制反射的仿真及分析 智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用第4卷

圖2縮短走線長度后的傳輸線模型

Fig.2Transmission line model of

shorten the transmission wire length

再次仿真，得到縮短傳輸線走線長度后的驅(qū)動(dòng)端和接收端電壓波形圖如圖3所示。從圖3可以看出，通過縮短PCB走線的長度，信號(hào)質(zhì)量已明顯得到了改善，但還是可以看出一些振鈴信號(hào)。雖然可以通過繼續(xù)減小走線長度，直到信號(hào)質(zhì)量滿足要求為止，但是如果過于頻繁地使用這種類型的約束，兩個(gè)引腳之間的距離很可能大于布線長度的規(guī)格要求，因此對(duì)于PCB設(shè)計(jì)工程師來說，解決這種類似問題的常見辦法就是端接技術(shù)。本文在熟練掌握HyperLynx軟件的基礎(chǔ)上，對(duì)各種端接技術(shù)進(jìn)行了仿真分析，并深入研究了各種不同端接方式對(duì)信號(hào)反射的改善程度。圖3縮短傳輸線走線長度后的驅(qū)動(dòng)端和接收端電壓波形圖

Fig.3Voltage waveforms of the receiver and driving for

shorten the transmission wire length

2源端端接和終端端接仿真分析

端接技術(shù)是一種非常重要的實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的技術(shù)，不但可以減少源端與負(fù)載之間因?yàn)樽杩共黄ヅ涠a(chǎn)生的反射，而且能夠減緩信號(hào)邊沿上升和下降的速度，從而達(dá)到減少相應(yīng)射頻輻射的效果。對(duì)于傳輸線的端接方案來說，通?？刹捎靡韵聝煞N策略：源端端接匹配方式和終端端接匹配方式［8］。對(duì)這兩種策略展開如下分析。

源端端接技術(shù)就是在源端和傳輸線之間串聯(lián)一個(gè)電阻，也稱做源端串行端接技術(shù)。若在走線終端上存在集總負(fù)載或單一器件時(shí)，源端串行端接就是最佳的選擇。源端串行端接的目的是匹配信號(hào)源的阻抗，所接入的串行電阻阻值加上驅(qū)動(dòng)源的輸出阻抗應(yīng)大于等于傳輸線阻抗，最終使源端反射系數(shù)為零，從而抑制負(fù)載反射回來的信號(hào)再從源端反射回負(fù)載端。源端串行端接的原理為，在源端和傳輸線之間串接的電阻阻值為RS=38Ω。運(yùn)行仿真后，得到源端串行端接的仿真圖，由其中就可以清晰地看出反射噪聲得到了較大改善［9-10］。

在未使用端接技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，為減小信號(hào)傳輸?shù)母蓴_，還可以采用終端端接匹配技術(shù)進(jìn)行仿真研究。終端端接是在盡量靠近負(fù)載端的位置添加上拉或下拉電阻，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，終端端接又可以分為簡單并行端接、主動(dòng)并行端接、戴維南端接和并行RC端接等形式。現(xiàn)今最常用的即為簡單并行端接技術(shù)，其原理是在終端并聯(lián)接上一個(gè)下拉電阻，這個(gè)電阻值為RD=47.5Ω。從仿真圖4中可以看出信號(hào)質(zhì)量的提高。

除以上方法外，為抑制反射噪聲的干擾還可以采用并行RC端接技術(shù)。RC端接技術(shù)就是在終端鏈接一個(gè)由電阻和電容相互串行的電路，這個(gè)電阻和電容分別為RD=47.5Ω，C=82.5pF，該種端接方式也是抑制反射的一種重要且有效的方法。

其他的方法，還可以采用主動(dòng)并行端接技術(shù)，即在終端并聯(lián)一個(gè)上拉到電源的電阻，這個(gè)電阻值為RP=47.5Ω，直流電源的電壓為Vpp=5V，從對(duì)應(yīng)的仿真圖4中即可以看出反射噪聲得到了減弱。

另外，更可以采用戴維南端接技術(shù)，戴維南端接技術(shù)就是在終端并聯(lián)一個(gè)到直流電源的電阻，在終端再鏈接另一個(gè)到地的電阻，這個(gè)直流電源電壓為Vpp=5V,上拉電阻的阻值為RP=79.1Ω,下拉電阻的阻值為RD=118.7Ω。同樣，從仿真圖4中可以看出，此時(shí)由反射引起的信號(hào)完整性問題已得到消除。

上述各種端接技術(shù)引入終端后傳輸線驅(qū)動(dòng)端和接收端電壓仿真波形的改善效果均如圖4所示。由其中可以看出，在信號(hào)接入6ns左右反射趨于穩(wěn)態(tài)，振鈴和過沖等干擾基本消失。因此在高速電路中實(shí)施電路的端接方案時(shí)，可以根據(jù)具體情況通過仿真來選取合適的端接方案，以獲得最佳的端接效果［11］。

圖4端接后傳輸線驅(qū)動(dòng)端和接收端電壓波形

Fig.4Voltage waveforms of the receiver and driving

for termination transmission line model

3結(jié)束語

若要在復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)工程中及時(shí)處理信號(hào)完整性問題，僅靠前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)是不夠的，必須還要有扎實(shí)的理論功底和熟練的仿真技巧［12］。現(xiàn)代高速電路中引起信號(hào)完整性問題的反射噪聲，主要是由阻抗突變所導(dǎo)致。本文通過HyperLynx軟件仿真，分析研究了各種端接技術(shù)，達(dá)到了改善反射的目的。得出了下面的結(jié)論：用仿真計(jì)算多次反射使得工作大大簡化，任何一種端接技術(shù)都可以減小反射提高電路性能，因此端接技術(shù)是有效抑制信號(hào)反射噪聲的良好策略。參考文獻(xiàn)：

［1］CHAMPAC V. AVENDANO V, FIGUERAS J. Built-in sensor for signal integrity faults in digital interconect signals［J］.Very Large Scale Integration Systems,2010,18(2):256-269.

［2］李超,陳少昌,劉任洋.高速PCB板的信號(hào)完整性研究［J］.電光與控制,2013,20(4):92-96.

［3］張志偉.模數(shù)混合信號(hào)集成電路自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,29(4）:25-28.

［4］周俊,許凱華,劉玉華,等.基于仿真的高速電路主板系統(tǒng)信號(hào)完整性研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2010,31(8):1682-1684,1701.

［5］趙倩.高速時(shí)鐘線的反射特性分析［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,27(2):53-57.

［6］邵鵬.高速電路設(shè)計(jì)與仿真分析:Cadence實(shí)例設(shè)計(jì)詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2010.

［7］王娟,楊明武.傳輸線上反射與串?dāng)_的仿真分析［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012, 35(2):197-200.

［8］劉偉,康凱,鐘子發(fā).高速數(shù)字設(shè)計(jì)中的反射分析［J］.電子測(cè)試,2010(8):26-31.

［9］堵軍,高輝,張益平.電路設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性分析和研究［J］.電子與封裝,2013(8):25-29.

［10］周俊,許凱華,劉玉華,等.基于仿真的高速電路主板系統(tǒng)信號(hào)完整性研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2010, 31(8):1682-1684,1701.

［11］鄧集杰,劉鐵根,褚備,等.高速視頻處理系統(tǒng)的信號(hào)完整性分析［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2009, 23(6):34-41.

［12］曲鋒,劉建卓,郭幫輝,等.手持式紅外熱像儀系統(tǒng)中視頻信號(hào)傳輸反射問題的研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程, 2010,10(22):5526-5529.