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信号完整性系列之“反射”

本文主要介绍反射的相关概念,反射产生的原因,反射的消除措施。

反射

反射就是在传输线上产生了回波。如果一条传输线满足长线并且没有被合理的端接,那么来自于驱动端的信号脉冲就会在接收端被反射,从而产生非预期的效果,使信号失真。反射是传输线的基本效应, 即当信号沿着传输线前行时,只要碰到阻抗不连续时会发生反射。

当信号在传输时碰到比目前阻抗高时,会发生正反射,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)。

当信号在传输时碰到比目前阻抗低时,会发生负反射,使信号边沿的幅度减小,信号边沿出现台阶,即下冲。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。


在PCB设计中,反射通常由传输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。

当信号在传输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端。当反射信号到达源时,若源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将最后达到直流稳态。下图是采用反弹图描述的信号传输过程的瞬时图:


反射产生的原因

产生反射现象的根本原因是信号传输通路的阻抗不连续或者不匹配,具体到实际的PCB设计中的因素包括信号上升时间、传输线的端接、短分支节线、容性分支节线、拐角和过孔、载重线、电感性间断线、容性阻抗不连续、感性阻抗不连续等等。


反射抑制技术

消除反射现象的方法一般有:布线时的拓扑法和相应的端接技术。

常用布线时的拓扑结构有:点到点、菊花链、星形、分支和周期性负载等结构。


  • 点到点拓扑结构比较简单,只要在发送端或接收端进行适当的阻抗匹配即可。

  • 当网络的整个走线长度延迟小于信号的上升或下降时间时用菊花链拓扑结构会比较好这时网络上的负载都可以看作容性负载。菊花链同时也限制了信号的速率只能工作在低速电路中。

  • 使用星形的拓扑结构时,对每个分支都进行均衡设计,要求每个分支的接收端负载一致,并选择适当的匹配方式。

  • 远端分支(Far-end cluster)跟星形类似,只不过分支是靠近接收端。在这种拓扑结构中,也要限制远端stub的长度,使stub上的传输延时小于信号上升沿,这样每个接收端都可以被看作为一个简单的容性负载。

  • 周期性负载的拓扑结构同样要求每段stub的长度足够小,使stub上的传输延时小于信号上升沿。这种主干传输线和所有的stub段组合起来的结构可以看作一段新的传输线,其特征阻抗要比原来主干传输线的特征阻抗小,传输速率也比原来的低,因此在进行阻抗匹配时要注意。


传输线上的反射会对数字系统性能有很大的负面影响。为了最小化反射的负面影响,除了从拓扑结构上消除相应的影响外,还必须有相应的控制措施。基本上有三种方法减小这些反射的负面影响。第一种方法就是降低系统的频率或增大信号的上升沿时间,以使传输线上的反射将在另一个信号驱动到线上之前达到稳态。然而通常这是不可能的,对于高速系统,增大信号上升沿时间,将影响系统的性能。第二种方法是缩短PCB走线长度以使反射在更短时间内达到稳态。通常这是不实用的,因为通常芯片功能的强大,管脚的增多,缩短布线必然导致PCB板层数的做多,这大大增加了成本。另外,在一些情况下缩短走线在物理实现上有时也是不可能的。当总线频率增加到一个周期内反射不能达到稳态时,或者线长较长时,前两种方法通常就有限了。第三种方法就是给传输线两端终接一个等于特征阻抗的阻抗,并消除反射,即是所谓的高速电路设计的端接技术。端接技术分为单端端接技术和多负载端接技术。

单端端接技术可以参考之前的文章《阻抗控制之阻抗匹配(2)》。

多负载端接技术分为两种情况。如果多个负载之间的距离较近,可通过一条传输线与驱动端连接,负载都位于这条传输线的终端,这时只需要一个端接电路。如采用串行端接,则在传输线源端加入一串行电阻即可。如采用并行端接(以简单并行端接为例),则端接应置于离源端距离最远的负载处,同时,线网的拓扑结构应优先采用菊花链的连接方式。

 

如果多个负载之间的距离较远,需要通过多条传输线与驱动端连接,这时每个负载都需要一个端接电路。如采用串行端接,则在传输线源端每条传输线上均加入一串行电阻。如采用并行端接(以简单并行端接为例),则应在每一负载处都进行端接。


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