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信号完整性分析实验报告-------传输线与反射的仿真验证姓名：王冠雄学号：1600030024专业：信息与通信工程（航天八院代培）授课教师：路建民目录一终端开路及短路的反射信号...........................................................................................................1二多长需要端接...................................................................................................................................2三点到点拓扑的通用端策略...............................................................................................................33.1源端串联端接...........................................................................................................................43.2远端并联端接...........................................................................................................................53.1远端戴维南端接.......................................................................................................................63.3远端RC端接..........................................................................................................................7四短串联传输线的反射.......................................................................................................................8五短并联传输线的反射.......................................................................................................................9六容性终端的反射.............................................................................................................................10七走线途中容性终端的反射.............................................................................................................11八中途容性时延累加.........................................................................................................................13九有载线.............................................................................................................................................14十感性突变的反射.............................................................................................................................16十一补偿.............................................................................................................................................18课程感想...............................................................................................................................................19传输线与反射的仿真验证1一、终端开路及短路的反射信号本文选取《信号完整性分析与电源完整性分析》中的第八章“传输线与反射”中的相关内容进行仿真验证。所有的仿真都是基于ADS(AdvancedDesignSystem)软件，在ADS中，信号上升时间为信号上升段从0~100%所用的时间，而本文中上升边均为10%~90%上升边，可以认为上升边=0.8上升时间。以下是本章节第一部分的仿真。仿真条件驱动器：阶跃电源SRC7，上升时间1ns，幅值为1V；传输线：特性阻抗为50Ohm，本文中传输线阻抗均为50Ohm，下文中不再重复；时域扫描：结束时间60ns，步长0.01ns；图1.1传输线仿真模型传输线仿真模型如图1.1所示，分别在负载为780Ohm(开路)，0.01Ohm(短路)，50Ohm(阻抗匹配)情况下仿真传输线远端的电压。仿真结果图1.2负载为780Ohm(开路)图1.3负载为0.01Ohm(短路)图1.4负载为50Ohm(阻抗匹配)传输线与反射的仿真验证2从以上三图中可以看出，当负载开路时输出电压振铃噪声峰值接近2V(780Ohm非完全开路)，最终趋于1V；负载为0.01Ohm(短路)时，输出电压为0V；负载为50Ohm(阻抗匹配)时，输出电压接近1V，且没有反射电压，故没有振铃噪声。实验现象符合传输系数t和反射系数ρ的定义：1212increflZZZZVV(1-1)2122ZZZVVtinctrans(1-2)二、多长需要端接仿真条件驱动器：阶跃电源SRC7，上升时间1ns，幅值为1V；驱动器内阻：10Ohm；时域扫描：结束时间60ns，步长0.01ns；终端负载输入电阻可看做开路。图2.1仿真模型仿真结果图2.2传输线时延1.3ns的信号波形图2.3传输线时延0.16ns的信号波形图2.4传输线时延0.1ns的信号波形传输线与反射的仿真验证3当驱动器具有内阻时，使用如图2.1的模型进行仿真，将传输线的时延设定为1.3ns和0.1ns分别仿真，终端输出电压如图2.2~图2.4所示，可以看出时延为1.3ns时振铃噪声相当严重，当传输线时延为0.16ns和0.1ns时可以看出振铃噪声较小。本次仿真中上升时间为1ns，那么信号的10%~90%上升边为0.8ns，可以看出当传输线延时为0.16ns时，振铃噪声峰值已经超过了0.1V(稳态的10%)，如果延时再增大就会出现信号完整性问题。那么这就验证了一条经验法则：当传输线时延超过上升边的20%时，振铃噪声有可能会引起问题。因为在FR4中信号传播速度约为6in/s，那么无终端端接传输线的最大长度Lenmax=6in/s*0.16s=0.96in，即Lenmax在数值上与上升边RT相等，那么则有经验公式2-1:RTenLmax(2-1)其中，Lenmax为无终端端接传输线的最大长度，RT为上升边。综上所述，为了保证信号的传输质量，当传输线时延超过上升边的20%时，需要进行端接。三、点到点拓扑的通用端策略仿真条件驱动器：阶跃电源SRC7，上升时间1ns，幅值为1V；驱动器内阻：10Ohm；时域扫描：结束时间60ns，步长0.01ns；终端负载输入电阻可看做开路。图3.1无端接系统模型图3.2传输线时延1.3ns的信号波形当传输线时延为1.3ns时，无端接系统的远端信号波形如图3.2所示，可见振铃噪声较大，需要进行端接优化。振铃是由源端和远端的阻抗突变，两端之间不断往复的多次反射引起的，所以如果能至少在一段消除反射，就可以减小振铃，下文将介绍四种常用的端接策略。传输线与反射的仿真验证43.1源端串联端接原理简述源端串联端接系统模型如图3.3所示，源端串联端接即为在驱动器与传输线中间串接电阻进行阻抗匹配，其中端接电阻与驱动器内阻之和应该和传输线特性阻抗相等。仿真条件驱动器：阶跃电源SRC7，上升时间1ns，幅值为1V；驱动器内阻：10Ohm；时域扫描：结束时间60ns，步长0.01ns；终端负载输入电阻可看做开路。源端端接电阻为40Ohm。图3.3源端串联端接系统模型仿真结果传输线前端和后端的信号如图3.4和图3.5所示，图3.4中值得注意的是源端电压呈台阶形状，这是源端串联端接的一个特点，且传输线往返时间越长，台阶形状就越长。在图3.5中可以看出源端串联端接基本消除了传输信号中的振铃噪声，由于线路和内阻的分压传输信号的幅值略小于1V。源端串联端接的特点为不改变驱动器的驱动能力，信号不损耗，是最常用的端接方式。图3.4传输线前端信号图3.5传输线后端信号传输线与反射的仿真验证53.2远端并联端接原理简述远端并联端接系统模型如图3.6所示，远端并联端接即为在传输线后端并接电阻进行阻抗匹配以消除振铃。仿真条件驱动器：阶跃电源SRC7，上升时间1ns，幅值为1V；驱动器内阻：10Ohm；时域扫描：结束时间60ns，步长0.01ns；终端负载输入电阻可看做开路；经调试计算求得并联端接电阻R8为52.4Ohm。图3.6远端并联端接系统模型仿真结果传输线前端和后端的信号如图3.7和图3.8所示，在图3.8中可以看出远端并联端接基本消除了传输信号中的振铃噪声，由于分压和损耗，远端信号电压约为0.8V，相对于电源电压下降较多，使系统的驱动能力有所下降，驱动性能不如串联端接。远端并联端接的特点为会使驱动器的驱动能力下降，并联端接电阻消耗能量，因此不常用。图3.7传输线前端信号图3.8传输线后端信号传输线与反射的仿真验证63.3远端戴维南端接原理简述远端戴维南端接系统模型如图3.6所示，远端戴维南端接即为在远端并联端接基础上于传输线后端直流源和电阻来拉高驱动能力，在保证系统驱动能力的同时消除振铃。其中,直流电压源V，上拉电阻R1，下拉电阻R2，驱动电压Vref需要满足以下关系：212RRVRVref(3-1)仿真条件驱动器：阶跃电源SRC7，上升时间1ns，幅值为1V；驱动器内阻：10Ohm；时域扫描：结束时间60ns，步长0.01ns；终端负载输入电阻可看做开路；远端并联1.5V直流电压源;经计算及调试得出上拉电阻R9为80Ohm；下拉电阻R10为150Ohm。图3.9远端并联端接系统模型仿真结果传输线前端和后端的信号如图3.10和图3.11所示，在图3.11中可以看出远端戴维南端接基本消除了传输信号中的振铃噪声，由于有1.5V直流源SRC5存在，远端信号电压约为1V，驱动能力强于串联端接。远端戴维南端接的特点为具有并联端接的优点，并且能提高系统的驱动能力。图3.10传输线前端信号图3.11传输线后端信号传输线与反射的仿真验证73.4远端RC端接原理简述远端RC端接系统模型如图3.6所示，远端RC端接即为在传输线后端并接电阻和