通过时域反射法分析优化电气设计

2017年 10月 23日

通常,工程师使用信号完整性(SI)分析获得有关电信号质量的信息,然后,根据此信息改进设计。在 SI 应用中,时域反射法(TDR)是一种有用的技术,它可以发现信号路径中的不连续性。本文我们将使用仿真对两种不同的设计进行 TDR 分析:一条高速互连线和一组平行的微带线。

SI 和 TDR 分析

随着技术的进步,市场对于能够处理更高数据传输速率的高速设备的需求不断增长。为了能够良好运行,这些设备需要保持较高的信号质量。但是,信号质量会受诸因素的影响而失真或降低,包括:

  • 外部噪声
  • 阻抗失配
  • 插入损耗
  • 串扰

SI 分析是实现高信号质量的关键步骤。SI 分析会检查通过电路传输的电信号的质量。借助这些信息,工程师可以找到潜在的 SI 问题,并在设计中将其最小化。为此,工程师使用 TDR 分析来预测通过设备电路传输的信号质量。TDR 是通过将能量释放到系统中之后观察反射能量对系统进行分析。

用于研究时域反射仪的设备的照片
一个简单的时域反射仪。图像来自维基共享资源

为了解决信号质量问题,我们可以使用 RF 仿真有效地执行 TDR 分析并获得结果。接下来,我们来看两个使用 RF 模块的电磁波,瞬态 接口进行时域仿真的示例:

  1. 一条处理传输线阻抗失配的高速互连
  2. 受不需要的耦合或串扰影响的相邻微带线

示例 1:高速互连

如下图所示,互连示例包含一个由多个介电层组成的电路板,每个介电层都使用一个微波基板。微带线位于堆叠的介电层的顶部和底部,并通过金属通孔连接。在不同的介电层之间也有一个带有防通孔垫的接地平面。

高速连接的模型几何。
高斯连接的简单原理图。

一条高速互连线的模型几何。

为了激励微带线,高速互联线模型使用了作用类似于输入信号的阶跃函数。该函数使用快速上升时间阻止信号中不需要的高频部分。

互连的仿真结果

在高速互连示例中,我们分析了集总端口1 的 TDR 的阻抗和电压。通过查看反射信号,可以确定该点信号路径中的不连续性。在下图中的红线(左)和绿线(右)中可以看到这些不连续性。为了解决这些问题,我们调谐了阻抗失配的两个主要部分——微带线和金属通孔的几何形状,通过更改出现不连续性的几何形状部分,从而减少信号失真。

互联的时域电压
在 COMSOL Multiphysics®中绘制的互联阻抗

调谐前后集总端口1的时域电压(左)和阻抗(右)。

TDR 的下冲表明,在调谐之前,微带线弯曲部分的有效宽度比一条 50Ω 的线宽。我们可以通过使用倒角几何操作产生一个斜接弯管修剪弯曲零件的角部。新的形状减少了弯曲微带线的不连续性,有助于消除 TDR 响应时的不良下冲。

对于金属通孔,原始的半径尺寸太小,导致通孔具有高电感。为了解决这个问题,我们增加了通孔的半径,从而最大程度地减小了过冲响应。

上图显示,这些几何形状的变化有助于抑制来自不连续点的不良电压波动,并使阻抗更接近理想的 50Ω。因此,通过识别信号路径的不连续性,TDR 仿真分析可以帮助我们改善高速互连设计。

示例2:平行微带线

在第二个示例中,我们将重点讨论串扰如何影响两条平行的微带线。这些线位于具有恒定介电常数的微波基板上。

平行微带线的模型几何。
微波基板上平行微带线的基本原理图

平行微带线的微波基板模型几何。

在仿真过程中,施加了两个脉冲并将其宽度设置为 300MHz和 600MHz 信号的一半,相应的数据传输速率分别为 600Mbit/s 和 1.2Gbit/s。在这和过程中,我们可以通过应用参数扫描来切换脉冲的频率。

微带线的仿真结果

以相邻微带线的仿真结果为例,我们首先查看激励端口(集总端口1)。在下面的左图中,可以看到端口阻抗的 TDR:信号电平为 1V,计算得到的端口阻抗约为 50Ω。在右图中,检查此端口上的电压和输入脉冲信号。端口电压没有失真,因为输入信号通过一条 50Ω 的直线,并以一个 50Ω 的电阻器端接,且该线路中没有任何不连续性。

微波基片的阻抗图。
>微波传输带的输入脉冲和电压

数据传输速率为 600Mbit/s 和 1.2Gbit/s 的集总端口1 处的阻抗(左)以及输入脉冲和电压(右)。

在相应的直通端口(集总端口2)上,我们看到了一个不连续的地方。在这里,当 1.2Gbit/s 的信号的 TDR 响应达到 1V 时会出现轻微失真,而在较低的频率下(传输速率为 600Mbit/s 的信号)不会出现失真。

2 种数据传输速率下的延迟输入脉冲和电压图

在数据传输速率为 600Mbit/s 和 1.2Gbit/s 的集总端口2 处的延迟输入脉冲和电压。

接下来,我们来考察这项研究的关键指标:微带线之间的串扰。从集总端口3 开始,该端口位于激励点附近。此时,两个数据传输速率之间的耦合信号电平相似。在靠近直通端口的集总端口4 处,较高数据传输速率的信号在另一条信号路径上产生了更强的串扰。

两种数据传输速率下,不同基质集总端口处的电压
在数据传输速率为 600Mbit/s 和 1.2Gbit/s 的集总端口3 和 4 处的电压。

这些结果表明,较高频率和数据传输速率的信号会导致失真增加和串扰增强。利用这些信息,我们可以设计能够有效处理高数据传输速率的高速设备。

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