PCB走线传输线效应产生的信号完整性下降的仿真

    本文主要翻译自Sysacom AN200801-01A “Basic PCB traces transmission line effects causing signal integrity degradation simulation using Altium DXP version 6.9”

 

 

 

       传输线效应(transmission line effects)会导致信号完整性下降，信号完整性下降会引起传输延迟和产生振铃的反射。传输延时导致信号和数据信号的不对应(missalignment)，振铃导会致两次时钟触发(double clocking)或增加了串扰(crosstalk)。

 

PS：所谓double clocking，是指一暂存器在时钟信号尚未触发之前，数据信号已经重复被处罚两次，如此将造成第一次触发的数据被忽略掉。

 

Microstrip 微带传输线

 

            

 

Stripline 带状传输线

 

 

 

 

     更多计算公式可以参考http://www.pcb123.com/help/calculators/

 

微带线Simulate a microstrip 50ohm 100cm

 

①    Microstrip, Source 0-ohm, load open

 

 

PCB:

 

 

仿真结果：

 

 

 

有仿真结果可以看出，两个上升沿之间的延时为6.02ns。这直接影响信号的传播速度。FR-4上微带线的延时为60ps/cm。要注意的是，这种情况下(Source 0-ohm, load open)，信号振铃的现象很严重。

 

②    Microstrip, Source 0-ohm, load 50-ohm

 

 

 

PCB:

 

 

 

仿真结果：

 

 

     增加的终端电阻明显降低了振铃(ringing)，下冲(undershoot)和过冲(overshoot)也得到限制。

 

③    Microstrip, Source 50ohm, load open

 

 

PCB:

 

 

仿真结果：

 

 

     增加的源阻抗与源阻抗为0ohm比起来降低了振铃。

 

④    Microstrip, Source 50ohm, load 50ohm

 

 

PCB:

 

 

仿真结果：

 

 

信号没有了振铃、下冲和过冲，但接收器接收到的电压电平比发送的电平下降了很多，不能保证能达到门电路的驱动水平。

 

 

带状线

①    Stripline, Source 0ohm, load open

 

 

PCB:

 

 

 

仿真结果：

 

 

   

有仿真结果可以看出，两个上升沿之间的延时为7.02ns。这直接影响信号的传播速度。FR-4上微带线的延时为70ps/cm。我们要注意到，带状线的信号传播比微带线要慢一些。要注意的是，这种情况下(Source 0-ohm, load open)，信号振铃的现象很严重。

 

②Stripline, Source 0-ohm, load 50-ohm

 

 

PCB:

 

 

仿真结果：

  

 

增加的终端电阻明显降低了振铃(ringing)，下冲(undershoot)和过冲(overshoot)也得到限制。

 

③Stripline, Source 50ohm, load open

 

 

PCB:

 

 

仿真结果：

 

 

增加的源阻抗与源阻抗为0ohm比起来降低了振铃。

 

④Stripline, Source 50ohm, load 50ohm

 

 

 

PCB:

 

 

仿真结果：

 

 

信号没有了振铃、下冲和过冲，但接收器接收到的电压电平比发送的电平下降了很多，不能保证能达到门电路的驱动水平。

 

Crosstalk simulation between two traces

两条走线之间的串扰

仿真的目的是了解走线的距离与串扰的关系和微带线和带状线串扰的不同。仿真用到了30cm的走线，两条走线都是50欧姆。仿真电路图如下：

 

  

 

PCB:

 

 

微带线，线距为4mil

 

 

 

 

带状线，线距4mil

 

 

仿真结果：

 

 

 

下图和下表显示了不同线距地微带线和带状线的仿真结果。

微带线或带状线，两条走线线距增加，串扰(过冲和下冲)将减少。带状线的串扰比微带线的串扰少，大约低10倍左右。

 

 

 

 

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