【文章內(nèi)容簡介】 頻率小于1KHz時，特性阻抗為： 當(dāng)信號頻率很高，比如大于100MHz時，和遠(yuǎn)大于R和G，所以上式進(jìn)一步簡化為： 第五章 反射的理論分析和仿真 如果信號沿互連線傳播時所受的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，則一部份信號將被反射，另一部份信號發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去。 反射形成機(jī)理信號沿傳輸線傳播時，其路徑上的每一步都有相應(yīng)的瞬態(tài)阻抗，無論是什么原因使瞬態(tài)阻抗發(fā)生了變化，信號都將產(chǎn)生反射現(xiàn)象，瞬態(tài)阻抗變化越大，反射越大。 信號到達(dá)瞬態(tài)阻抗不同的兩個區(qū)域的交界面時，在導(dǎo)體中只存在一個電壓和一個電流回路，邊界處不可能出現(xiàn)電壓不連續(xù)，否則此處有一個無限大的電場；也不可能出現(xiàn)電流不連續(xù)，否則此處有一個無限大的磁場，所以交界面的電壓和電流一定連續(xù)，則有： ，而由歐姆定律知：，當(dāng)交界面兩側(cè)的阻抗不同時，以上四個關(guān)系不可能同時成立，這就說明在交界面上必然有反射回發(fā)射端的電壓，以平衡交界面兩端不匹配的電壓和電流。入射信號電壓向著分界面?zhèn)鞑?，而傳輸信號電壓遠(yuǎn)離分界面而傳播，入射電壓穿越分界面時，產(chǎn)生反射電壓，則有：相應(yīng)的當(dāng)入射電流穿越分界面時，反射電流和傳輸電流的關(guān)系為： 按照歐姆定律，每個區(qū)域中的電壓與電流的關(guān)系為：， 通過換算可以得到： ，由此可以看出，縮小和的差值，有利于減小反射電壓，在實際運(yùn)用中，通過給傳輸線端接匹配阻抗來實現(xiàn)。在典型的數(shù)字系統(tǒng)中，驅(qū)動器的輸出阻抗通常小于PCB互聯(lián)信號線的特征阻抗，而PCB互聯(lián)信號線的特征阻抗也總是小于接收器的輸入阻抗。這種阻抗的不連續(xù)性就會導(dǎo)致設(shè)計系統(tǒng)中信號反射的出現(xiàn)。 由電路諧振產(chǎn)生的振鈴效應(yīng)在研究由反射引起的振鈴效應(yīng)前，先討論由電路諧振引起的振鈴效應(yīng)。在時鐘速度高達(dá)10MHz的數(shù)字系統(tǒng)中，振鈴（Ringing）現(xiàn)象是設(shè)計中的顯著問題。傳導(dǎo)系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)，在很大程度上取決于系統(tǒng)的尺寸是否小于信號中最快的電氣特性的有效長度，反之亦然。電氣特性的有效長度由它的持續(xù)時間和傳播延遲決定，即l=Tr/D（Tr =上升時間，ps；D=延遲，ps/in）。如果走線長度小于有效長度的1/6，該電路表現(xiàn)為集總系統(tǒng)，如果系統(tǒng)對輸入脈沖的響應(yīng)是沿走線分布的，稱之為分布系統(tǒng)。 對于不同長度的印制板布線，有不同的處理方法。一般來說，長度小于2英寸的走線的電氣特性更像集總參數(shù)的LC電路；長度大于8英寸的走線的電氣特性更像分布參量的傳輸線電路。為了消除以振鈴噪聲，對于不同長度的走線有不同的處理措施，這些措施和印制版走線的等效電路模型有關(guān)。印制版的走線類似于諧振電路，由板上的銅鉑提供電感，負(fù)載提供電容，同時銅鉑依其長度有分布電感存在。下圖即為其簡化模型：在此模型中C為Source驅(qū)動源的負(fù)載管腳的分布電容，該電路模型為一LC諧振電路，如果其電感量為L，電容為C，則其諧振頻率為：振鈴噪聲大致正比于諧振周期和時鐘沿上升/下降時間的比值。當(dāng)走線很短時，電感量和分布電容量都很小，這樣諧振頻率很高，諧振周期很短，振鈴的幅度亦很小。當(dāng)走線長度增加時，電感量和分布電容量都加大，諧振周期變長，振鈴幅度也加大，此時對電路的正常工作會產(chǎn)生較大的影響。如下圖所示：減小振鈴噪聲的一種有效手段是在電路中串聯(lián)一個小電阻，此時電路模型變?yōu)橄聢D： 顯然，該電阻為諧振電路提供了阻尼，該阻尼電阻能顯著減小振鈴幅度，縮短振鈴震蕩時間，同時幾乎不影響電路速度。在工程使用上，該電阻通常為25歐姆。理論上，電平從高到低跳變和從低到高跳變都會引起振鈴，但是在典型的TTL電路中，從高到低的電平跳變引起的振鈴現(xiàn)象更為顯著。這是因為相對于從低到高的電平跳變，CMOS和TTL的輸出級在從高到低的跳變時有更強(qiáng)的驅(qū)動能力，同時其等效的輸出阻抗更小，一般只有310歐姆，這樣就不能為諧振回路提供強(qiáng)的阻尼，所以從高到低的跳變 引起的振鈴較劇烈，對電路的影響也較大。同時TTL電平對高低門限有不同耐受程度：，，所以在從低到高的跳變產(chǎn)生的振鈴必須有（=）的幅度才會產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯誤；而從高到低的振鈴幅度只要有（=）就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯誤。對長度小于2英寸，線寬10mil的走線進(jìn)行仿真，接收端為Virtex_Ⅱ，激勵為100MHZ的方波，如下圖所示：在不加阻尼電阻、加入阻尼電阻R=25ohm、R=50ohm、R=100ohm的情況下得到的仿真結(jié)果如下表：阻尼電阻R/ohmR=0 R=25 R=50R=100OvershootHigh/mvOvershootLow/mv 仿真波形對比如下：從上圖可看出，在接收端波無阻尼電阻時波形有明顯的振鈴效應(yīng)存在，為了減小振鈴效應(yīng)，在發(fā)射端與接收端之間加入阻尼電阻后，振鈴效應(yīng)有明顯的改善，隨著R的增大，振鈴的幅度和次數(shù)逐漸減少，對于波形的改善有一定效果。 反射引起的振鈴效應(yīng)驅(qū)動源總存在內(nèi)阻，內(nèi)阻對進(jìn)入傳輸線的初始電壓有重要影響。當(dāng)反射波最終到達(dá)源端時，將此內(nèi)阻作為瞬態(tài)阻抗，它的值決定了反射波再次反射回遠(yuǎn)端的情況。進(jìn)入傳輸線的實際電壓是由源電壓及內(nèi)阻和傳輸線組成的分壓器共同決定的，設(shè)源電壓為，內(nèi)阻為，傳輸線的特性阻抗為，則進(jìn)入傳輸線的實際電壓為： 由此可見減小電源的內(nèi)阻有利于提高電源的利用率，在實際運(yùn)用中，驅(qū)動源內(nèi)阻都遠(yuǎn)小于傳輸線特性阻抗，而負(fù)載的輸入阻抗一般都大于傳輸線的特性阻抗，這樣就會導(dǎo)致在源端出現(xiàn)負(fù)反射，在負(fù)載端出現(xiàn)正反射，反射波在源端和負(fù)載端來回反射就會引起振鈴現(xiàn)象，與電路諧振所產(chǎn)生的振鈴效應(yīng)相比，其本質(zhì)上是有區(qū)別的。當(dāng)走線很長時，由反射引起的振鈴是很嚴(yán)重的，對走線長度為10in的傳輸線進(jìn)行仿真，得到如下波形：由圖可以看出，由于阻抗不匹配，在阻抗突變界面上產(chǎn)生多次反射，源端波形和接收端波形均遭受到了不同程度的畸變。 端接電阻匹配方式匹配阻抗的端接有多種方式，包括并聯(lián)終端匹配，串聯(lián)終端匹配，戴維南終端匹配，AC終端匹配，肖特基二極管終端匹配。 并聯(lián)終端匹配并聯(lián)終端匹配是最簡單的終端匹配技術(shù)：通過一個電阻R將傳輸線的末端接到地或者接到VCC上。電阻R的值必須同傳輸線的特征阻抗Z0匹配，以消除信號的反射。如果R同傳輸線的特征阻抗Z0匹配，不論匹配電壓的值如何，終端匹配電阻將吸收形成信號反射的能量。終端匹配到VCC可以提高驅(qū)動器的源的驅(qū)動能力，而終端匹配到地則可以提高電流的吸收能力。并聯(lián)終端匹配技術(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)就是這種類型終端匹配技術(shù)的設(shè)計和應(yīng)用簡便易行，在這種終端匹配技術(shù)中僅需要一個額外的元器件；這種技術(shù)的缺點(diǎn)在于終端匹配電阻會帶來直流功率消耗。另外并聯(lián)終端匹配技術(shù)也會使信號的邏輯高輸出電平的情況退化。將TTL輸出終端匹配到地會降低VOH的電平值，從而降低了接收器輸入端對噪聲的免疫能力。對長走線進(jìn)行并聯(lián)終端匹配后仿真，波形如下： 串聯(lián)終端匹配串聯(lián)終端匹配技術(shù)，也稱之為后端終端匹配技術(shù)，不同于其它類型的終端匹配技術(shù)，是源端的終端匹配技術(shù)。串聯(lián)終端匹配技術(shù)是在驅(qū)動器輸出端和信號線之間串聯(lián)一個電阻。驅(qū)動器輸出阻抗R0以及電阻R值的和必須同信號線的特征阻抗Z0匹配。對于這種類型的終端匹配技術(shù)，由于信號會在傳輸線、串聯(lián)匹配電阻以及驅(qū)動器的阻抗之間實現(xiàn)信號電壓的分配，因而加在信號線上的電壓實際只有一半的信號電壓。而在接收端，由于信號線阻抗和接收器阻抗的不匹配，通常情況下，接收器的輸入阻抗更高，因而會導(dǎo)致大約同樣幅度值信號的反射，稱之為附加的信號波形。因而接收器會馬上看到全部的信號電壓（附加信號和反射信號之和），而附加的信號電壓會向驅(qū)動端傳遞。然而不會出現(xiàn)進(jìn)一步的信號反射，這是因為串聯(lián)的匹配電阻在接收器端實現(xiàn)了反射信號的終端匹配。串聯(lián)終端匹配技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是這種匹配技術(shù)僅僅為系統(tǒng)中的每一個驅(qū)動器增加一個電阻元件，而且相對于其它的電阻類型終端匹配技術(shù)來說，串聯(lián)終端匹配技術(shù)中匹配電阻的功耗是最小的，而且串聯(lián)終端匹配技術(shù)不會給驅(qū)動器增加任何額外的直流負(fù)載，也不會在信號線與地之間引入額外的阻抗。由于許多的驅(qū)動器都是非線性的驅(qū)動器，驅(qū)動器的輸出阻抗隨著器件邏輯狀態(tài)的變化而變化，從而導(dǎo)致串聯(lián)匹配電阻的合理選擇更加復(fù)雜。所以，很難應(yīng)用某一個簡單的設(shè)計公式為串聯(lián)匹配電阻來選擇一個最合適的值。 對長走線進(jìn)行串聯(lián)終端匹配后仿真，波形如下：戴維南終端匹配技術(shù)或者也叫做雙電阻終端匹配技術(shù)，采用兩個電阻來實現(xiàn)終端匹配，R1和R2的并聯(lián)組合要求同信號線的特征阻抗Z0匹配。R1的作用是幫助驅(qū)動器更加容易地到達(dá)邏輯高狀態(tài)，這通過從VCC向負(fù)載注入電流來實現(xiàn)。與此相類似，R2的作用是幫助驅(qū)動器更加容易地到達(dá)邏輯低狀態(tài)，這通過R2向地釋放電流來實現(xiàn)。戴維南終端匹配技術(shù)的優(yōu)勢在于在這種匹配方式下，終端匹配電阻同時還作為上拉電阻和下拉電阻來使用，因而提高了系統(tǒng)的噪聲容限。戴維南終端匹配技術(shù)同樣通過向負(fù)載提供額外的電流從而有效地減輕了驅(qū)動器的負(fù)擔(dān)，另外這種終端匹配技術(shù)還能夠有效地抑制信號過沖。戴維南終端匹配的一個缺點(diǎn)就是無論邏輯狀態(tài)是高還是低，在VCC到地之間都會有一個常量的直流電流存在，因而會導(dǎo)致終端匹配電阻中有靜態(tài)的直流功耗。這種終端匹配技術(shù)同樣也要求兩個匹配電阻之間存在一定的比例關(guān)系，同時也存在額外的到電源和地的線路連接。負(fù)載電容和電阻（Z0、R1和R2的并聯(lián)組合）會對信號的上升時間產(chǎn)生影響，提升驅(qū)動器的輸出電壓。對長走線進(jìn)行戴維南終端匹配后仿真，波形如下： AC終端匹配AC終端匹配技術(shù)也稱之為RC終端匹配技術(shù)，由一個電阻R和一個電容C組成，電阻R和電容C連接在傳輸線的負(fù)載一端。電阻R的值必須同傳輸線的特征阻抗Z0的值匹配才能消除信號的反射，電容值的選擇卻十分復(fù)雜，這是因為電容值太小會導(dǎo)致RC時間常數(shù)過小，這樣一來該RC電路就類型于一個尖銳信號沿發(fā)生器，從而引入信號的過沖與下沖，另一方面，較大的電容值會帶來更大的功率消耗。通常情況下，要確保RC時間常數(shù)大于該傳輸線負(fù)載延時的兩倍。終端匹配元器件上的功率消耗是頻率、信號占空比、以及過去數(shù)據(jù)位模式的函數(shù)。所有這些因素都將影響終端匹配電容的充電和放電特性，從而影響功率消耗。 AC終端匹配技術(shù)的優(yōu)勢在于