ADS学习笔记（二）—

八、中途容性负载的时延累加

1.原理简述

中途容性负载产生的第一位影响就是下冲噪声，第二位影响是远端信号的接收时间被延迟。电容器与传输线的组合就像一个RC滤波器，所以传输信号10％～90％上升边将增加，信号越过电压门限50％的时间也将推后。传输信号10％～90％上升边约为：

RT=2.2RC=ZoC (8-1)

传输信号通过电压门限50％的时延增加量（时延累加）为ATD（ns）为：

ATD=RC=0.5ZoC (8-2)

RT表示上升边的10％～90％（ns），Zo为传输线特性阻抗（Ohm），C为容性突变（nF）。使用图7.1的模型进行仿真，观察中途容性负载取不同电容值时造成的时延。

2.仿真条件

驱动器：阶跃电源VtStep，上升时间100ps，幅值为1V

驱动器内阻：10Ohm

源端端接电阻：40Ohm

时域扫描：结束时间60ns，步长0.01ns

TLD1、TLD2特性阻抗均为50Ohm，时延为1ns的传输线

终端负载输入电阻可看作开路

3.仿真结果

图8.1传输信号上升边（原始信号上升边100ps）

如图8.1，根据图像粗略估算，2pF、4pF、6pF、8pF、10pF的电容器对应的时延累加分别为50ps、150ps、250ps、350ps、450ps，与式8-2的结论不一致？——待更新

九、有载线

1.原理简述

当传输线上存在一个小的容性负载时，信号将失真，信号上升边也将退化。若传输线上每隔一段距离就分布一个电容，且间距小于上升边的空间延伸，则每个容性突变处引起的反射就会相互抵消：其效果相当于降低了传输线的特性阻抗。而其上均匀分布容性负载的传输线就被称为有载线。

有载传输线线仿真模型如图9.1所示，无载传输线线仿真模型如图9.2所示。

图9.1有载传输线线仿真模型

图9.2无载传输线线仿真模型

2.仿真条件

2.1有载线模型

驱动器：阶跃电源VtStep，上升时间1ns，幅值为1V

驱动器内阻：理想电源无内阻

时域扫描：结束时间60ns，步长0.01ns

TLD27～TLD32特性阻抗均为50Ohm，时延为0.167ns的传输线（相当于1in传输线）

C1～C5电容值均为3pF，模拟传输线上单位长度上的分布电容

终端负载输入电阻可看作开路

2.2无载线模型

驱动器：阶跃电源VtStep，上升时间1ns（不同仿真有所调整），幅值为1V

驱动器内阻：理想电源无内阻

时域扫描：结束时间60ns，步长0.01ns

TLD26特性阻抗均为50Ohm，时延为1ns的传输线

源端端接电阻为50Ohm

终端负载输入电阻可看作开路

3.仿真结果

图9.3无载线和有载线传输信号

当信号源上升时间为1ns，端接电阻均为50Ohm时，有载线和无载线传输信号如图9.3，可见此时有载线的传输信号比无载线的幅值小，可知此时有载线的端接电阻偏大，即有载线上的分布电容引起了有载线特性阻抗的降低。

十、感性突变的反射

1.原理简述

连接到传输线上的任何串联连接都有一些相应的串联回路电感。而这种电感的突变会对近端信号造成非单调变化（先升后降），而在远端使传输信号出现过冲。当信号的上升沿通过电感器时，则电感阻抗为：

Z=V/I=(L*dI/dt)/I=L/RT (10-1)

Z为电感阻抗（Ohm），L为突变处串联电感值（nH），RT为信号上升边（ns）

因为要保证反射信号约为信号摆幅的10％，所以分立电感器引起的串联阻抗突变引起的增量小于导线阻抗的20％，因此可得经验法则：

Lmax <0.2*Zo*RT (10-2)

Zo为传输线特性阻抗（Ohm），Lmax为最大串联电感值（nH），RT为信号上升边（ns）

可以建立如下仿真模型：

图10.1感性突变的反射仿真模型

2.仿真条件

驱动器：阶跃电源VtStep，上升时间1ns，幅值为1V：

驱动器内阻：10Ohm；

源端端接电阻：40Ohm：

时域扫描：结束时间6ns，步长0.01ns：

TLD33、TLD34特性阻抗均为50Ohm，时延为1ns的传输线：

终端负载输入电阻可看作开路。

3.仿真结果

图10.2串联电感值为0nH\5nH\10nH时的反射信号（左）和传输信号（右）

改变串联电感值，使其分别等于0、5nH、10nH，对应的反射信号和传输信号如图10.2所示。可知随着电感值的增加，信号过冲幅值逐渐增加，传输信号的时延逐渐增加。当电感值为10nH时，反射信号，传输信号过冲幅值基本等于传输信号稳态值的10％。因此可以认为当特性阻抗50Ohm，信号上升边1ns时，可容许最大串联电感值为10nH。符合式10-2中的结论。

图10.3不同串联电感值下的时延累加（信号源上升边为50ps）

当信号源上升边为50ps时，串联电感值分别为0、5nH、10nH时，传输信号的延时累加如图10.3所示，其对应的时延累加为0、50ps、100ps(待更新)，与式（10-4）结论相符。

十一、补偿

1.原理简述

设计中常需要使用到专用连接件，电路中串联回路电感不可避免。因此需要采用补偿技术来控制串联回路电感产生的反射噪声。如图11.1所示，补偿方法为在连接件（串联回路电感L4）的两端并接补偿电容C2、C3，使连接件如同传输线的一部分，从而消除反射噪声。

补偿电容的计算方法为：

C=L1/Z^2 （11-1）

其中C为补偿电容（nF），L1为连接件电感（nH），Z为传输线特性阻抗（Ohm）：

而最佳的接法为将补偿电容C分为两部分加载电容的两侧，即令C2＝C3＝0.5C。

图11.1补偿仿真模型

2.仿真条件

驱动器：阶跃电源VtStep，上升时间1ns，幅值为1V

驱动器内阻：10Ohm

源端端接电阻：40Ohm

时域扫描：结束时间20ns，步长0.01ns

L1电感值10nH

C2、C3均2pF

TLD39、TLD40特性阻抗均为50Ohm，时延为1ns的传输线

终端负载输入电阻可看作开路

3.仿真结果

图11.2分别在有连接件(蓝)、无连接件(红)、补偿情况(紫)的源端信号(左)和接收端信号(右)

如图11.2所示，有连接件未补偿情况下的接收端信号和源端信号相比无连接件信号，均出现了过冲，而补偿后的接收端信号和源端信号，反射噪声得到了抑制，较小的波动可以忽略，基本与无连接件信号重合。这说明补偿确实可以抑制感性突变对信号带来的不良影响。

十二、串扰仿真

1.原理阐述

串扰(Crosstalk)是四类信号完整性问题之一，指的是有害信号从一个线传递到相邻线。任何一对线之间都存在串扰。通常我们把噪声源所在的线称为动态线或攻击线，而把有噪声形成的线称为静态线或受害线。静态线上的靠近驱动源的一端称为近端，远离驱动端的一端称为远端，NEXT系数代指近端串扰(静态线上近端噪声峰值/动态线上信号电压)，FEXT系数代指远端串扰(静态线上远端噪声峰值/动态线上信号电压)。经验法则：最大容许串扰约是信号摆幅的5%。

图12.1·近端噪声和远端噪声时间关系图

TD指的是耦合区域的时延，近端噪声持续时间是2*TD-RT，远端噪声持续时间是RT，近端噪声幅度随着耦合长度增加而增加，最终达到饱和，在饱和长度之前，有串扰率/饱和时串扰率=耦合长度L/饱和长度，近端串扰饱和长度计算公式：1/2*RT*v。远端噪声的峰值与耦合长度成比例，同时随着上升时间减小，远端噪声的脉冲宽度也减小，而峰值增加。

FEXT的计算关系式如下：

其中，FEXT表示远端串扰系数，Len表示耦合长度，RT表示上升时间，表示信号传播速度，CmL 表示单位长度互容C12，CL表示信号路径上单位长度电容C11，LmL表示单位长度互感L12，LL表示信号路径上单位长度电感L11。

对于理想带状线：导线周围介质材料是同质且均匀分布，那么相对容性耦合和相对感性耦合完全相同，不会出现远端串扰。

以下为ADS串扰仿真模型:

图12.2串扰仿真模型

2.仿真条件

驱动器：阶跃电源VtStep，上升时间0.1~0.5ns，幅值0.2V

终端负载电阻：50Ohm

耦合长度：500~4000mil，步进500mil

时域扫描：结束时间5ns，步长=(上升时间/3)ns

层叠：使用ADS默认的四层板层叠

3.仿真结果

设置线宽为17.3048mil，线间距为17.3048mil(50Ω单端，1倍线宽)，设置耦合长度为4000mil(大于理论饱和长度≈1/2*0.5ns*6in/ns=1500mil)。如下图，NEXT=4mV，根据4000mil的仿真结果反推TD约为0.6085ns(与理论TD=耦合长度/6in/ns=4mil/6in/ns=0.667ns相近)，反推饱和长度为1600mil（与理论饱和长度1500mil相近)。

图12.3 走线间距为1倍线宽，RT=0.1ns，耦合长度逐步增加串扰图

如图12.3，耦合长度为1000mil时(小于饱和长度)，此时近端噪声峰值小于NEXT，为2.479mV。耦合长度为500mil时，近端噪声峰值为1.254mV(可以发现近端噪声在耦合长度小于饱和长度时，实际噪声峰值与耦合长度与饱和长度的比值成比例)。而远端噪声随着耦合长度增加成比例增加，没有饱和长度。

更改线间距为51.9144mil(3倍线宽)时，可以看到近端和远端串扰大幅降低：

图12.4 走线间距为3倍线宽，RT=0.1ns，耦合长度逐步增加串扰图

更改上升时间RT为0.1~0.5ns，步进0.1ns，可以发现当上升时间变短时近端噪声峰值基本没变，远端串扰脉冲宽度减小，同时峰值增加：

图12.5 走线间距为1倍线宽，耦合长度为4000mil，RT=0.1~0.5ns串扰图

减小近端串扰方法：

①增大线间距②靠近返回平面③减小耦合长度（小于饱和长度）④使用防护布线(带状线)

减小远端串扰方法：

①增大线间距②靠近返回平面③减小耦合长度④拉长上升边⑤在表面层导线上方加介质材料⑥将敏感线布成带状线⑦使用防护布线(带状线)

十三、差分对端接

1.原理简述

端接共模信号不是消除共模信号，只是阻止共模信号在电路之间往返振荡，端接的办法有4种。

第一种办法是π型端接，在每条信号线与返回路径之间接上一个电阻器，这两个电阻器并联时的阻值应等于共模阻抗。

图13.1 差分对π型端接结构

共模信号受到的等效电阻为两个电阻器R2的并联，差分信号受到的等效电阻为两个电阻器R2串联后再和电阻器R1并联。对于典型的紧耦合差分对而言，奇模阻抗大致为50Ω，偶模阻抗大致为55Ω，此时两条信号线之间的电阻值R1应为1kΩ，每条线与返回路径之间的电阻R2为55Ω。这种方式能同时端接100Ω差分阻抗和27.5Ω共模阻抗。

第二种办法是T型端接，差分信号受到的等效电阻是两个电阻器R1的串联，共模信号受到的等效电阻是两个电阻器R1并联后再和R2串联。对于典型的紧耦合差分对而言，T型端接中R1为50Ω，中央抽头与返回路径之间的电阻器为2.5Ω。