基于Hyperlynx的反射仿真与分析

王 蕾，汤 伟，褚衍超

（上海航天控制技术研究所 上海201109）

基于Hyperlynx的反射仿真与分析

王 蕾，汤 伟，褚衍超

（上海航天控制技术研究所 上海201109）

反射是高速电路信号完整性的一个重要内容，在高速电路设计中是不可忽视的。研究T型拓扑的反射计算方法，并借助MentorGraphics公司的信号完整性分析工具HyperLynx仿真软件，对信号反射的多种因素进行分析。最后根据仿真结果，提出了减小反射的有效措施。

信号完整性；反射；Hyperlynx；仿真

随着集成电路工艺的飞速发展，高速化和小型化已经成为电路设计的一种趋势。高速PCB设计的密度、复杂度越来越高，信号完整性成为了现代高速电路设计中必须要考虑的因素，其设计成败直接关系到系统功能的实现。PCB设计中最主要的信号完整性问题是反射和串扰，文中主要研究了T型拓扑中反射对信号的影响，通过仿真得到一些减弱电路中反射对信号影响的方法。

1 反射形成的机理

众所周知，反射是由于传输线上的阻抗不连续所引起的，如图1所示，当信号从传输线终端的不连续阻抗处反射回来时，信号的一部分将反射回电源。当反射信号到达信号源时，如果电源阻抗与传输线阻抗不相等，将再次发生反射。随后，如果传输线两端都存在阻抗不连续，那么，信号将在驱动器和接收器之间不断反射，最终达到稳态。

图1 传输线中的反射

目前，已经有了很多消除两个器件之间的传输线上信号反射的方法，大致可分为3种，第一种是降低系统频率，使得其他信号发送到传输线上之前，传输线上的反射已经达到稳态；第二种是缩短PCB走线，减少反射达到稳态所需的时间；第三种是在传输线的两端，分别端接一个与传输线特征阻抗相同的阻抗，以消除反射。但是，在实际的应用中一条通路并非总是只连接两个器件，通常情况下，会要求一个驱动器与两个或多个接收器相连，此时互连通路的拓扑结构就会显著地影响系统性能。文中以一个驱动器连接两个接收器为例，通过仿真分析，研究减小T型电路拓扑中反射的方法。

2 T型拓扑的反射计算

T型拓扑结构主要有两种，均衡T型拓扑和非均衡T型拓扑，如图2所示。

图2 T型拓扑结构

采用格形图可以计算传输线上的反射对信号的影响，图3是一个格形图示例。图中，左边竖线代表传输线的信号源终端，右边竖线代表负载终端，两条竖线之间的斜线代表信号在信号源和负载之间不断反射。自顶向下，表示时间的增加，图中两条竖线顶端标有对应的反射系数，小写字母表示传输线上传播的反射信号的幅度，大写字母表示信号源端的电压，带“＇”的大写字母表示负载端的电压。

图3 计算传输线上多次反射的格形图

图2中的均衡型拓扑可以用如图4所示的格形图来计算反射。图中 ρ2、ρ4表示信号从驱动器向接收器传输时在N2和N3处的反射系数，ρ1、ρ3表示信号从接收器向驱动器传输时在N1和N2处的反射系数，T2表示信号从驱动器向接收器传输，到达N2点后部分信号继续向前传输所对应的传输系数，T3表示信号从接收器向驱动器传输，到达N2点后部分信号继续向前传输所对应的传输系数。

图4 均衡T型拓扑结构对应的格形图

采用格形图同样可以计算非均衡型拓扑中的反射大小，但是它的计算十分复杂，在实际的工程应用中可以利用Hyperlynx软件进行电路反射的仿真分析。

3 仿真分析

图5（a）是一个非均衡T型拓扑结构的仿真模型，它的主线TL1和两个分支TL2、TL3的阻抗都是50 ohms，TL2长度为1.5 inch，TL3长度为3 inch，接收端的波形如图5（b）所示。从仿真结果可以看出，当两个分支长度不相等时，电路中的反射非常严重。

图6中，TL1、TL2、TL3的阻抗都是 50 ohms，TL2和TL3的长度都为1.5 inch，与图5相比，传输线上信号的反射有明显的减小。

图5 非均衡T型拓扑结构仿真

图6 TL2、TL3为1.5 inch时T型拓扑结构仿真

图7中，TL1、TL2、TL3的阻抗都是50 ohms，TL2和TL3的长度都为0.5 inch。

将图6和图7放到一起比较，如图8所示，可以看出，当传输线的长度越长，信号的反射越强烈。

图9中，TL1阻抗是50 ohms，TL2、TL3的阻抗都是100 ohms，TL2和TL3的长度都为0.5 inch。这种情况即为在结点处输入端和输出端的阻抗相等，与图7相比，结果如图9（b）所示，从图中可以看出，当结点处阻抗连续时，接收端的反射对信号的影响有所减弱。

图10中，TL1阻抗是50 ohms，TL2、TL3的阻抗都是100 ohms，TL2和TL3的长度都为0.5 inch，在输入端加入了匹配电阻（阻值可通过仿真软件求得），仿真结果如图10（b）所示，比较图9和图10可以看出，加入了匹配电阻可以减弱电路中反射对信号的影响。

图7 TL2、TL3为0.5 inch时T型拓扑结构仿真

图8 不同长度的传输线反射情况比较

图9 阻抗连续时T型拓扑结构仿真

4 结束语

通过仿真分析，我们可以知道在T型拓扑的PCB设计时，应当尽量使每条分支的长度相同，阻抗相等，并且应当尽量将拓扑的节点处的阻抗不连续降到最小。必要时，可以在源端串联匹配电阻，从而降低反射对信号的影响。

图10 源端加入匹配电阻时T型拓扑结构仿真

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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稿件编号：201602086

王 蕾（1988—），女，江苏东台人，硕士，助理工程师。研究方向：电机与电器。