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信号完整性分析基础知识之传输线和反射（三）：仿真和测试反射波形

article 2024/11/15 4:35:17

使用上面反射系数的定义，可以计算来自任意阻抗的反射信号。当终端阻抗为阻性元件时，阻抗恒定，反射电压容易计算。当终端具有更复杂的阻抗行为（例如电容性或电感性终端，或两者的某种组合）时，如果手动计算反射系数及其随入射波形变化的变化方式，则既困难又乏味。幸运的是，有一些简单易用的电路仿真工具可以使这种计算变得更加容易。
可以使用 SPICE 或其他电路模拟器计算来自任意阻抗和任意波形的反射系数和由此产生的反射波形。使用此类工具，可以创建源、添加理想传输线并连接终端。当入射波形到达末端并从所有各种不连续点反射时，可以计算出现在终端和任何其他节点上的电压。
源阻抗、传输线特性阻抗、时间延迟和端接有许多可能的组合。这些中的每一个都可以使用模拟工具轻松改变。图 8-11 显示了随着信号上升时间从 0.1 纳秒增加到 1 纳秒，终端上的模拟电压，并且在单独的模拟中，作为源端接电阻的信号波形从 0 欧姆变化到 90 欧姆.

使用 SPICE 可能进行的各种模拟的示例。顶部：对于 10 欧姆驱动器和 50 欧姆特性阻抗线，显示了具有不同信号上升时间的远端电压。底部：改变串源端接电阻并显示远端电压。
使用 SPICE 或其他电路模拟器，可以模拟任意传输线电路的性能，同时考虑所有特定功能。

测试反射波形

除了模拟与传输线电路相关的波形外，还可以使用通常称为时域反射计 (TDR) 的专用仪器测量物理互连的反射波形。
这是在表征没有自己的电压源的无源互连时使用的合适仪器。当然，当测量有源电路中的实际电压时，带有高阻抗、有源探头的快速示波器是最好的工具。
TDR 将生成一个较短的上升时间阶跃边沿，通常在 35 皮秒到 150 皮秒之间，并测量仪器内部点的电压。下图是 TDR 内部工作原理图。重要的是要记住，TDR 只不过是一个快速阶跃信号发生器和一个非常快的采样示波器。

TDR 内部示意图。一个非常快的脉冲发生器产生一个快速上升的电压脉冲。它通过与短长度 50 欧姆同轴电缆串联的精密 50 欧姆电阻传输到连接 DUT 的前面板。内部点的总电压用非常快速采样的示波器测量并显示在前屏上。

电压源是一个非常快的步进发生器，它输出大约 400 mV 的步进幅度。在电压源之后是一个 50 欧姆的校准电阻。这可确保 TDR 的源阻抗精确到 50 欧姆。电阻器之后是实际检测点，在此电压由快速采样放大器测量。
连接到此点的是一根短同轴电缆，可将信号传送到前面板 SMA 连接器。这是连接 DUT 的地方。来自源的信号进入 DUT，并在采样点检测任何反射电压。
在产生阶跃信号之前，在内部点测得的电压将为0v。在实际测得电压的地方，信号遇到分压器。第一个电阻是内部校准电阻。
第二个电阻是 TDR 内部的传输线。当 400-mV 阶跃到达校准电阻器时，在检测点测量的实际电压将是经过分压器后的结果。

检测到的电压为 400 mV × 50 Ohms/(50 Ohms + 50 Ohms) = 200 mV。该电压最初被测量并由快速采样范围显示。 200-mV 信号继续沿着内部同轴电缆向下移动到 DUT。
如果 DUT 是一个 50 欧姆的终端，则没有反射信号，采样点出现的唯一电压是 200 mV 的正向行波，它是恒定的。如果 DUT 开路，则来自 DUT 的反射信号为 +200 mV。发射后不久，这个200mV的反射波信号又回到采样点，测量显示的是200mV的入射电压加上200mV的反射波。显示的总电压为 400 mV。
如果 DUT 短路，则 DUT 的反射信号将为 −200 mV。最初，测量 200mV 的入射电压。短时间后，反射的 −200-mV 信号返回源并由采样头测量。此时测量的是 200-mV 入射信号加上 −200-mV 反射信号，即 0 电压。下图显示了这些情况的测量 TDR 图。

TDR 将测量连接到仪器前部 SMA 连接器的任何互连的反射电压，以及随着信号沿互连传播（从所有不连续点反射），该电压如何随时间变化。

随着信号持续在DUT上传输，如果还有瞬时阻抗变化的区域，会生成一个新的反射电压，该返回电压会反向传播到内部测试点并显示出来。从这个意义上说，TDR 确实表明了信号遇到的瞬时阻抗的变化以及变化的时间。
由于输入信号一定是沿着内部互连向下传输，而反射信号一定是沿着内部互连往回传输到检测点，前面板上测试到的时间延时就是实际上的任意不连续点的往返延时。
例如，DUT是一个4inch长的50Ohm均匀传输线，我们会在DUT的接口处首先看到一个初始的小的反射电压，这是因为并不完全是50Ohm，然后，我们会看到一个大的反射信号，这是输入信号传播到远端开路并反射回检测点的信号，这两个之间的传输延时就是传输线的往返时延。如果传输线的阻抗不是50Ohm，在传输线的两端就会产生多重反射。TDR会显示在内部测试点位置所有电压波形的多重反射。下图显示了远端开路的 50 欧姆传输线和 15 欧姆传输线的 TDR 响应示例。