高速信号反射分析模型

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1、高速信号反射分析模型2008-12-1121:14建立如图所示的高速信号反射分析模型，Vs为驱动器的源电压；Zs为等效源内阻；ZL为等效负载电阻；信号传输路径为特性阻抗为Zo的微带传输线。源的实际输出电压为Vinc，若负载阻抗ZL=ZO，则入射电压Vinc全部到达负载不会被反射；否则，当入射波到达负载时，一部分电压将被反射回来，并在传输路径上和入射电压叠加。但入射电压和反射电压互不干扰的独自传输，当反射电压到达源端时，若源内阻ZS和传输线特性阻抗不匹配，将会产生第二次反射，这样，信号就会在源端和负载端之间来回形成多次反射即反弹，直到到达稳态。　　图1高速系统反射分析模型　

2、　通常门电路的输入阻抗很大，在此假设传输线末端开路，即负载ZL为无穷大；传输线特性阻抗为50Ω；时延为1ns：驱动源信号Vs上升沿为0.1ns；电压为3V的阶跃波形；源内阻为25Ω；接收端的波形应该如何？　　首先，信号在传输线的始端感受到的瞬态阻抗为50Ω，则源的实际输出电压满足如下分压关系：　　这个2V的信号经过1ns后到达末端，在末端发生第一次反射，反射系数为　　于是产生2V的反射信号返回源端，而末端电压为入射信号和反射信号电压之和，即4V。　　再过1ns，2V的反射信号到达源端，又一次遇到阻抗突变，反射系数为　　此时发生第二次反射，产生-o.61V的反射电压到远端，

3、再反射，如此下去，直到稳定，通常采用反弹图来手工计算多次反射，如图2所示。　　图2反弹图　　用信号完整性分析工具“Hyperlynx”对上述电路进行仿真，仿真电路原理如图3所示，得到的源输出电压及末端负载电压波形如图4所示。可以看出：首先，远端的电压最终逼近源电压3V，因为末端是开路的；其次，末端电压有时大于源电压，有时小于源电压，出现振铃现象，这往往会给系统带来危害，过分的过冲会损坏器件，欠冲则会使电路逻辑长期处于不确定状态，可能导致误判。　　图3反射模型Hyperlynx电路原理图　　图4仿真结果　　但是，并不是所有的反射都会引起振铃，反射会因源内阻、负载阻抗、路径延

4、迟和波形上升时间等的不同给系统带来不同程度的影响。如果上面的其他参数保持不变，源内阻发生变化时末端的电压波形会有怎样的表现呢？　　如图5所示，当源内阻小于传输线特性阻抗时会出现振铃，称为过载传输线；当源内阻大于传输线特性阻抗时会将信号上升沿拉长，称为欠载传输线；只有当二者相等时，多次反射才不会发生；最终的电压都稳定在3V，因为负载端开路。在第5章里将详细介绍为了排除源端反射所要采取的端接方法。　　图5源内阻变化时的接收端电压上升沿对反射的影响　　简单的系统由近端驱动器、传输线和远端接收器组成，如图所示的高速系统反射分析模型。一般情况下，驱动器为低输出阻抗，接收器为高输入阻

5、抗，信号在两端之间来回反弹。那么，中间的传输线对反射有何影响呢？　　假设驱动器内阻为25Ω，末端接收器等效为开路，源信号的上升时间为0.5ns，下面观察传输线的时间延迟分别为0.1ns、0.5ns和1ns时的接收端波形，如图所示。　　可见，随着传输线的变长，反射噪声越趋严重。如果导线足够短，虽然反射依然会发生，但来自另一端的反射是在信号状态转换完成以前就到达，那么就被信号的边沿所掩盖，几乎看不出来，如图3所示中TD＝0.1ns时。那么，如何衡量布线的长度对反射的影响，有没有一个标准呢？　　图传输线长度对反射的影响　　根据电路设计者的经验，在没有有效端接的情况下，当传输线的

6、时延TD大于信号上升时间RT的20％时，反射的影响就不能忽视了，不然将带来信号完整性问题。瞬态阻抗及反射　　在高速数字系统中，所关注的是信号波形的传输及系统的瞬态响应。反射是带来波形失真的一个重要因素，其定义可简单概括为：当信号沿路径传输时，将探测或感受到路径上的瞬态阻抗。如果探测到瞬态阻抗发生改变，则一部分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播下去。然而，什么是瞬态阻抗呢？　　对于一分立元件的阻抗ZL，在其两端加上任一电压V，其电流为I＝V/ZL，故其瞬态阻抗为ZL。　　对于传输线，可以建立一个传输线的零阶模型来分析它。此模型由一系列的小单元组成，每个单元由一个时延和

7、一个小电容组成，如图1所示。　　在此模型中，单元长度为纰，则每个单元的电容为单位长度电容Co和单元长度△z的乘积：　　C=C0.△z（3－31）　　信号沿z方向传播，信号边沿对某一电容充电，充电电流为r。根据电流的定义有　　由此可得出结论：传输线上的瞬态阻抗即为其特性阻抗。　　图1传输线的零阶模型　　常见的导致瞬态阻抗发生突变的因素有：线的末端、线宽变化、拐角、分支、线交叉、桩线、返回路径上的缝隙、叠层间的过孔、测试焊盘、封装引线，以及器件输入门电容等。　　只要瞬态阻抗改变，就会产生发射。然而，究竟为什么信号遇到阻抗突变就会产