高速电路信号完整性分析与设计四--反射分析

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1、第4章高速电路信号完整性分析与设计-高速信号的反射分析高速数字信号的反射是影响现代数字电路设计的重要因素之一,严重的反射将破坏信号的完整性,并引起过冲现象,从而出现错误的数字逻辑和毁坏器件。本章详细分析了信号反射产生机理和现象，并给出了反射解决的方案。4.1信号反射的现象4.1.1反射的基本概念反射就是在传输线上的回波。如果一传输线电尺寸满足长线时，且没有被合理的端接(终端匹配)，那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端被反射，从而引发不预期效应，使信号轮廓失真。反射是传输线的基本效应,即当信号沿着传输线前行时，碰到阻抗不连续时会发生反射：1.当信号在传输时碰到比目前阻抗高时，

2、会发生正向反射，使信号边沿的幅度增加，信号边沿出现过冲。从定义上来说，过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压；对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压。2.当信号在传输时碰到比目前阻抗低时，会发生负向反射，使信号边沿的幅度减小，信号边沿出现台阶，即欠冲。严重时将可能产生假时钟信号,导致系统的误读写操作。如果在一个时钟周期中,反复的出现过冲和欠冲,我们就称之为振荡，也叫振铃。振荡是电路中因为反射而产生的多余能量无法被及时吸收的结果。图4.1所示的波形就是一个明显存在过冲，欠冲，振荡的例子。图4.1存在反射现象的信号波形在PCB设

3、计中，反射通常由连线阻抗的不匹配造成，如：不同布线层阻抗不一样、T型连接、过孔、线宽的变化、器件的输入输出阻抗，封装寄生参数等等。以图4.2所示的理想传输线模型来分析与信号反射有关的重要参数。1LAB++Z0R0+VAVBRLVSAAAA---源端负载端图4.2理想传输线模型及相关参数理想传输线L被内阻为R0的数字信号驱动源VS驱动，传输线的特性阻抗为Z0，负载阻抗为RL。理想的情况是当R0＝Z0＝RL时，传输线的阻抗是连续的，不会发生任何反射，但能量一半消耗在源内阻R0上，另一半消耗在负载电阻RL上（传输线无直流损耗，即无耗传输线）。如果负载阻抗大于传输线的特性阻抗，Z

4、0＜RL那么负载端多余的能量就会反射回源端，由于负载端没有吸收全部能量，称为欠阻尼。如果负载阻抗小于传输线的特性阻抗，即Z0＞RL，负载试图消耗比当前源端提供的能量更多的能量，称为过阻尼。欠阻尼和过阻尼都会产生反向传播的波形，某些情况下在传输线上会形成驻波（有三种情况，将在下面进行讨论）。当Z0＝RL时，负载完全吸收到达的能量，没有任何信号反射回源端，称为临界阻尼。从系统设计的角度来看，由于临界阻尼情况很难满足，所以最可靠适用的方式轻微的过阻尼，因为这种情况没有能量反射回源端。负载端阻抗与传输线阻抗不匹配会在负载端（B点）反射一部分信号回源端（A点），反射电压信号的幅值由

5、负载反射系数ρL决定，见下式：RZL0L（4.1）RZL0-+(4.1)式中，ρL称为负载电压反射系数，其定义式是反射电压与入射电压之比：ρL=v/v。由式（1）可见，-1≤ρL≤+1。另外当RL＝Z0时，ρL＝0，将不产生反射。即只要根据传输线的特性阻抗进行终端匹配，就能消除反射。从原理上说，反射波的幅度可以大到入射电压的幅度，极性可正可负。当RLZ0时，ρL>0，处于欠阻尼状态，反射波极性为正。如果传输线由两段不同特性阻抗的传输线组成，则连接点处也会产生信号的反射。传输线上出现的分叉点就是这样一个阻抗

6、不连续点(断点)。反射信号产生的主要原因：过长的走线；未被匹配终结的传输线，过量电容或电感以及阻抗失配。当信号在线终端处的阻抗不连续点被反射时，信号的一部分将反射回源头。当反射信号到达源头时，若源头端阻抗不等于传输线阻抗就将产生二次反射。因此若传输线的两端都存在阻抗不连续，信号将在驱动线路和接收线路之间来回反射。信号的反射波因传输线的损耗2将最后达到直流稳态。如图4.3所示为几个T的时间区间的一个例子（T为从源到负载的传输线的时间延迟）。DDVsZo当信号源为Vs，传输线上的初始电压Vi决定于分压式Vi。当t=T时，初始电DZoRs压Vi达到了负载Rl。此时产生幅值为

7、Vi的反射分量，它和初始电压叠加在负载处产生总B电压为：ViVi（其中是负载端的反射系数）。波的反射分量（Vi）传播回到源端，BBB并在t=2T时产生一个由Vi决定的离开源端的反射（是源端的反射系数）。此时源DABA端的电压将是先前的电压（Vi）加上来自反射的入射瞬态电压（Vi）再加上反射波B（Vi）。反射和逆反射将持续到线上电压趋近稳态直流值。如读者所见，若终端不匹配，AB反射要一段长的时间才能稳定下来，并会产生一些重要的时序影响。图4.3传输线反射的例子当阻抗不匹配时，通过UltraCAD传输线仿真器