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核心内参: TDR原理及常见问题

2月前浏览16391

摘要

本文简单介绍TDR的基本原理,包含与反射的关系;在ANSYS工具中的仿真方法,包含HFSS、Circuit中仿真TDR,以及SIwave TDR Wizard的使用;最后列举了三个TDR常见的问题及其原因分析。希望本文可以帮助相关初学者快速了解TDR有关的知识。


01 TDR基本原理

TDR(Time Domain Reflectometry):时域反射计是一种利用反射信号来推算待测件(DUT)的阻抗的一种测试方法,可以用来验证PCB、封装、连接器和线缆等设计是否满足阻抗要求,在高速电路设计、PCB加工制造、设计失效分析等方面中有广泛的应用。

首先需要回顾一下传输线的反射。反射是由阻抗不连续导致的一种信号变化的现象,通常用反射系数来表示反射的大小,即反射信号与入射信号的比值,其计算公式如下。

上式中的是参考阻抗,是负载阻抗。假如就是我们需要求解的未知量,由上式变换可得:

这便是TDR根据反射信号来推算待测件阻抗的原理。以图 1所示的简单电路为例,信号源是0~2V的脉冲信号,延时0ns,上升下降沿1ps;源端串阻和末端端接电阻都是50ohm;中间无损传输线75ohm,延时0.5ns���我们可以根据已知的条件来计算反射信号,过程如下:

两端的反射系数

T=0ns时,,

T=0.5ns时,

T=1ns时,

T=1.5ns时,

最终V2和V3都会稳定在1V。(如果电路中阻抗不连续点数量很多,则通过手动计算反射变得非常复杂,此时需要借助仿真)


图 1 Circuit中搭建的简单电路

以上是根据已知的阻抗信息以及反射的原理求V2和V3处的信号幅值,可以跟仿真的结果完全一致,如图 2所示的仿真结果:

图 2 Circuit仿真的V2和V3点的幅值

反之,根据V2的信号幅值可以观察传输线的阻抗,编辑公式如下:

如图 3所示,可以看到结果显示的阻抗正是75ohm,但请注意75ohm持续的时间是1ns,是这段传输线延迟的2倍,是因为传输和反射回来刚好需要2倍的时间。

上述的简单案例说明了反射和TDR的关系。根据上述的方法,可以将中间的传输线替换成其他待测件(比如常见的S参数)来观察TDR阻抗。

图 3 Circuit仿真的中间传输线的阻抗

02 在ANSYS的工具中仿真TDR

由上文讲述的原理来看,只要可以计算反射信号就可以得到TDR,因此在任何一个电路仿真工具中都可以做TDR的仿真。这部分不是难点,下文只是简单介绍三个工具的TDR仿真操作。


A: HFSS中的TDR

对于在HFSS中仿真的模型(如过孔、连接器、传输线等),在HFSS中仿真完之后可以直接观察TDR。以Driven Terminal求解模式为例,如图 4所示在仿真求解完之后,Plot Result界面中,Domain选择为Time,此时在结果中会出现Terminal TDR Impedance,选择需要的TDR观察就可以了。

图 4 HFSS中Plot TDR的设置界面

TDR Options选项里面可以设置上升沿、窗函数等功能,上升沿时间并非可以设置为任何值,需要根据求解的扫频宽度来判断,可以利用Sweep界面的Time Domain Calculation工具来计算信号上升沿时间和扫频宽度的关系,如图 5所示。需要注意的是HFSS中扫频宽度如果不够、或者网格质量很差,TDR结果则会不准确,在常见问题中会有案例说明。

图 5 Time Domain Calculation的界面



B: Circuit中的TDRSource器件

在Circuit中除了上文提到的编辑公式来计算TDR之外,软件内置的TDRSource源可以很方便来仿真TDR,TDRSource有单端和差分两种。如图 6所示,只需将TDRSource放置在待测电路中,设置好上升沿时间、内部延时和器件内,然后进行时域Transient仿真。在结果的Device Properties中选择需要观察的TDR进行Plot即可。

  

图 6 Circuit中用TDRSource进行TDR仿真及结果



C: SIwave中的TDR Wizard

SIwave中的TDRwizard仿真(如图 7所示)工具只需四步设置就可以对批量信号进行TDR仿真分析,使用起来非常方便。

图 7 SIwave中TDRwizard仿真按钮

其设置比较简单,不在此细讲。仿真过程是用SIwave的求解器提取所选网络的S参数文件,然后自动在Circuit中生成Netlist调用该S参数文件,并根据设置好的参数进行Transient仿真得到TDR的结果,如图 8所示。

图 8 TDRwizard调用Circuit 自动生成Netlist仿真TDR

03 常见问题

下文介绍几个TDR仿真中常见的问题。



A: TDR曲线会往上飘的原因

仿真一段均匀传输线,按理来说均匀传输线的阻抗不会发生变化,但是观察TDR会发现曲线会往上飘。其原因是仿真中的传输线一般使用的是铜材质,其电导率不是理想的无穷大, DC的损耗引起的。如图 9所示,红色TDR曲线是传输线材料为铜箔;蓝色曲线是将传输线设置为PEC。

图 9均匀传输线的TDR结果


B: HFSS仿真的传输线TDR阻抗差异大

已知一段均匀传输线的阻抗为92.92ohm,但是用HFSS进行仿真得到图 10红色曲线,此时得到传输线的阻抗为91.6ohm(图中Mark1),此处看起来阻抗有差异。红色曲线往上飘的原因在上文已经解释了,我们将传输线改为PEC然后在Setup中减小Delta S为0.01,在Advanced设置中将Port Delta Z设置为0.1%(默认1%),并指定Wave Port端口最小网格数,得到的蓝色曲线Mark 3为端口阻抗92.9已经很精确了;Mark 2为传输线的阻抗92.52ohm与精确值差异0.4ohm。

图 10 HFSS中均匀传输线的TDR结果

图 11 HFSS中的仿真设置

经常有用户在HFSS中仿真传输线或PCB的通道,通过TDR来观察其阻抗值与实际设计值,发现差异很大。以上文的案例,总结一下在HFSS中仿真TDR的几点注意事项:

  • Delta S设置尽量小一点;也可以将收敛判据需要改为S11,收敛精度1%;

  • 端口阻抗改为0.1%,并且指定最少端口网格数量;

  • 对于均匀传输线,使用Waveport Deembed的方式来延伸,建模长度仅需很短;

  • 设置的上升沿时间要根据扫频宽度来定,反之亦然。



--END--



HFSS电路信号完整性通用理论传动仿真体系
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首次发布时间:2020-08-19
最近编辑:2月前
仿真圈
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未登录
6条评论
唐唐怼你
仿真仿真仿真
3年前
为什么DC的损耗会引起曲线向上飘呢?
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仿真秀0730110505
签名征集中
3年前
请问提取实际PCB时,要想得不飘的TDR,是不是把copper改成PEC,平常是没有改的,再加上两端口阻抗不匹配,从两端口看到的结果不对称,有差别。
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大虾米
不是在仿真就是在准备仿真的路上
3年前
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egcefre
1234567
3年前
谢谢分享!
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gaoyuan
签名征集中
3年前
谢谢分享
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flymoon
学无止尽,勇攀高峰
4年前
不错
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