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。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。当反射信号到达源端时,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《
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。