【Citation】Wang Y.,Wang Y.,Wang Q.,et Research on High-Speed Circuit Termination Technologies Based on Hyperlynx[J].Automotive Digest(Chinese),2020(5):49-54.

1 前言

随着汽车智能化、网联化的发展，DDR4（Double Data Rate 4th-generation Synchronous Dynamic Random-access Memory）等高速存储芯片在汽车电子中的应用越来越广泛，高速化、小型化成为现阶段智能网联类控制器的设计趋势。与此同时，信号频率的提高、印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）尺寸的减小、PCB叠层的增加，都会对信号的质量产生影响[1-5]。通常认为，当信号频率高于100 MHz，或者信号的传输延迟大于10%的信号上升沿的时长情况下，该电路就属于高速电路[6-8]。此时，就需要用高速电路的设计理念去设计电路原理图和PCB。否则，控制器可能会由于信号完整性的问题导致无法正常工作。

采用端接技术、降低信号频率、缩短PCB走线，都可有效地抑制反射现象[9-10]，但由于控制器功能的要求和PCB尺寸的限制，后2种方式很难在实际工程中得到应用。端接技术是现阶段在高速电路设计中最常使用的方案。

本研究首先针对于反射的形成机理进行理论分析，推导反射系数的公式。在此基础之上，引出6种常见的端接方式，并对这6种方式进行详细讨论。最后，通过仿真分析、验证了端接对于反射的抑制效果，除此之外，还对不同端接方式中端接参数的选取进行了探讨。

2 反射的形成机理

2.1 传输线模型

当信号的互连尺寸远小于信号最高频率所对应的波长时，信号线可以用集总模型进行分析，此时信号从输出端口到输入端口的传递是没有延迟的。当信号的互连尺寸与信号最高频率所对应的波长可以比较时，通常采用分布模型进行分析，这里的分布模型是集总模型的串联[11]。

图1 传输线单位长度的等效电路

图1为单端口网络单位长度的集总模型示意图，其中R为传输线的分布电阻，L为传输线的分布电感，G为传输线的分布电导，C为传输线的分布电容，上述参数都为传输线的寄生参数。通常将这个模型称为传输线的RLGC模型。

2.2 特征阻抗

通常，将传输线输入电压与输入电流的比值定义为传输线的特征阻抗Z0，其中：

式（1）中，Ui(z)为传输线的输入电压，Ii(z)为传输线的输入电流。

从图1的集总模型示意图可以推导出特征阻抗的公式：

式（2）中，w=2πf，其中f为信号的频率。

当信号频率很高，例如大于100 MHz时，jwL和jwC的数值要远大于R和G的数值，所以公式（2）可以简化为：

从公式（3）中可以看出，理想传输线的特征阻抗仅与传输线的分布电感L和分布电容C有关，与传输线上的信号频率和传输线的长度无关。

2.3 反射系数

从上一小节了解到，理想传输线的特征阻抗与分布电感L和分布电容C有关，而分布电感和分布电容是由走线的宽度、介质层的介电常数、介质层厚度、走线到参考平面距离参数决定。所以，在实际PCB上布线时，由于过孔、PCB板材不均匀的原因，会导致传输线的特征阻抗发生变化。信号在传输线特征阻抗变化的点会发生反射。通常，将信号的反射系数ρ0定义为[12]：

式（4）中，U-为反射点处的反射电压，U+为反射点处的入射电压，ZB为反射点后的传输线特征阻抗，ZF为反射点前的特征阻抗。

图2 信号反射示意

图2是信号发生反射的一种特例，即PCB走线宽度发生变化，从而导致传输线特征阻抗变化，信号在反射点位置发生反射。一部分能量沿着信号方向接着传递，一部分能量沿信号反方向返回源端。

当反射点前特征阻抗ZF等于反射点后特征阻抗ZB时，能量不会发生反射，此时反射系数ρ0为0。当反射点前特征阻抗ZF远大于反射点后特征阻抗ZB时，此时走线相当于短路，反射系数为1。当反射点前特征阻抗ZF远小于反射点后特征阻抗ZB时，此时走线相当于开路，反射系数为-1。

3 端接技术仿真分析

从上面的分析可以得出，要想从根本上抑制反射，就要保证在信号的传递路径上，各点的反射系数都必须为0。有2种端接方式在实际工程中得到了广泛的应用，分别是串联端接和并联端接，其中并联端接又包含简单并联端接、主动并行端接、戴维南端接、阻容端接、二极管端接5种形式。

3.1 串联端接

串联端接就是在尽可能靠近信号输出端口的位置串接一个电阻，使得信号源输出阻抗Zout加上串接电阻RS的阻抗ZS等于传输线的特征阻抗Z0，如图3所示。当传输线上只有一个负载时，这种端接方式得到了广泛的应用。但是由于传输线特征阻抗Z0与信号接收端的输入阻抗Zin不匹配，所以信号还是会在接收端发生反射，产生振铃、过冲、下冲现象。综上，串联端接并不能消除信号的一次反射，而是消除信号的二次反射。除此之外，由于串接的电阻会增加信号的RC时间参数，所以在高频领域，不建议使用这种端接方式。