信号完整性分析3——反射现象

前面讲过,对于数字信号的方波而言,含有丰富的高频谐波分量,边沿越陡峭,高频成分越多。而pcb上的走线对于高频信号而言相当于传输线,信号在传输线中传播时,如果遇到特性阻抗不连续,就会发生反射。反射可能发生在传输线的末端,拐角,过孔,元件引脚,线宽变化,T型引线等处。总之,无论什么原因引起了传输线的阻抗发生突变,就会有部分信号沿传输线反射回源端。

反射形成机理很复杂,这包含了很多电磁领域的复杂的知识,本文不准备深入讨论,如果你真的很想知道,可以给我留言,我专门讲解。

工程中重要的是反射量的大小。表征这一现象的最好的量化方法就是使用反射系数。反射系数是指反射信号与入射信号幅值之比,其大小为:(Z2-Z1)/(Z2+Z1)。Z1是第一个区域的特性阻抗,Z2是第二个区域的特性阻抗。当信号从第一个区域传输到第二个区域时,交界处发生阻抗突变,因而形成反射。举个例子看看反射能有多大,假设Z1=50欧姆,Z2=75欧姆,根据公式得到反射系数为:(75-50)/(75+50)=20%。如果入射信号幅度是3.3v,反射电压达到了3.3*20%=0.66v。对于数字信号而言,这是一个很大的值。你必须非常注意他的影响。

 实际电路板上的反射可能非常复杂,反射回来的信号还会再次反射回去,方向与发射信号相同,到达阻抗突变处又再次反射回源端,从而形成多次反射,一般的资料上都用反弹图来表示。多次的反弹是导致信号振铃的根本原因,相当于在信号上叠加了一个噪声。为了电路板能正确工作,你必须想办法控制这个噪声的大小,噪声预算是设计高性能电路板的一个非常重要的步骤。

一、信号反射

信号沿传输线向前传播时,每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗,这个阻抗可能是传输线本身的,也可能是中途或末端其他元件的。对于信号来说,它不会区分到底是什么,信号所感受到的只有阻抗。如果信号感受到的阻抗是恒定的,那么他就会正常向前传播,只要感受到的阻抗发生变化,不论是什么引起的(可能是中途遇到的电阻,电容,电感,过孔,PCB转角,接插件),信号都会发生反射。

那么有多少被反射回传输线的起点?衡量信号反射量的重要指标是反射系数,表示反射电压和原传输信号电压的比值。反射系数定义为:ρ=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)。其中:Z1为变化前的阻抗,Z2为变化后的阻抗。假设PCB线条的特性阻抗为50欧姆,传输过程中遇到一个100欧姆的贴片电阻,暂时不考虑寄生电容电感的影响,把电阻看成理想的纯电阻,那么反射系数为:ρ=(100-50)/(100+50)=1/3,信号有1/3被反射回源端。如果传输信号的电压是3.3V电压,反射电压就是1.1V。

纯电阻性负载的反射是研究反射现象的基础,阻性负载的变化无非是以下四种情况:阻抗增加有限值、减小有限值、开路(阻抗变为无穷大)、短路(阻抗突然变为0)。

阻抗增加有限值:

反射电压上面的例子已经计算过了。这时,信号反射点处就会有两个电压成分,一部分是从源端传来的3.3V电压,另一部分是在反射电压1.1V,那么反射点处的电压为二者之和,即4.4V。

阻抗减小有限值:

仍按上面的例子,PCB线条的特性阻抗为50欧姆,如果遇到的电阻是30欧姆,则反射系数为 ρ=(30-50)/(30+50)=-0.25,反射系数为负值,说明反射电压为负电压,值为3.3V×(-0.25)=-0.825V 。此时反射点电压为3.3V+(-0.825V)=2.475V。

开路:

开路相当于阻抗无穷大,反射系数按公式计算为1。即反射电压3.3V。反射点处电压为6.6V。可见,在这种极端情况下,反射点处电压翻倍了。

短路:

短路时阻抗为0,电压一定为0。按公式计算反射系数为-1,说明反射电压为-3.3V,因此反射点电压为0。

计算非常简单,重要的是必须知道,由于反射现象的存在,信号传播路径中阻抗发生变化的点,其电压不再是原来传输的电压。这种反射电压会改变信号的波形,从而可能会引起信号完整性问题。这种感性的认识对研究信号完整性及设计电路板非常重要,必须在头脑中建立起这个概念。

二、接收端容性负载的反射

 信号的接收端可能是集成芯片的一个引脚,也可能是其他元器件。不论接收端是什么,实际的器件的输入端必然存在寄生电容,接受信号的芯片引脚和相邻引脚之间有一定的寄生电容,和引脚相连的芯片内部的布线也会存在寄生电容,另外引脚和信号返回路径之间也会存在寄生电容。

 好复杂,这么多寄生电容!其实很简单,想想电容是什么?两个金属板,中间是某种绝缘介质。这个定义中并没有说两个金属板是什么形状的,芯片两个相邻引脚也可以看做是电容的两个金属板,中间介质是空气,不就是一个电容么。芯片引脚和PCB板内层的电源或地平面也是一对金属板,中间介质是PCB板的板材,常见的是FR4材料,也是一个电容。呵呵,搞来搞去,还是回到了最基础的部分。高手不要笑,太简单了。不过确实很多人看到寄生电容就感到有点晕,理解不透,所以在这里罗嗦一下。

回到正题,下面研究一下信号终端的电容有什么影响。将模型简化,用一个分立电容元件代替所有寄生电容,如下图所示。

  信号完整性分析3——反射现象_第1张图片

我们考察B点电容的阻抗情况。电容的电流为:I=Cdv/dt      

随着电容的充电,电压变化率逐渐减小(电路原理中的瞬态过程),电容的充电电流也不断减小。即电容的充电电流是随时间变化的。

电容的阻抗为:Z=V/I=V/Cdv/dt 

因此电容所表现出来的阻抗随时间变化,不是恒定的。正是这种阻抗的变化特性决定了电容对信号影响的特殊性。如果信号上升时间小于电容的充电时间,最初电容两端的电压迅速上升,这时阻抗很小。随着电容充电,电压变化率下降,充电电流减小,表现为阻抗明显增大。充电时间无穷大时,电容相当于开路,阻抗无穷大。

 阻抗的变化必然影响信号的反射。在充电的开始一段时间,阻抗很小,小于传输线的特性阻抗,将发生负反射,反射回源端A点的信号将产生下冲。随着电容阻抗的增加,反射逐渐过渡到正反射,A点的信号经过一个下冲会逐渐升高,最终达到开路电压。

 因此电容负载使源端信号产生局部电压凹陷。精确波形和传输线的特性阻抗、电容量、信号上升时间有关。

对于接收端,很明显,就是一个RC充电电路,不是很严谨,但是和实际情况非常相似。电容两端电压,即B点电压随RC充电电路的时间常数呈指数增加(基本电路原理)。因此电容对接收端信号上升时间产生影响。

 RC充电电路的时间常数为τ=Z×C ,这是B点电压上升到电压终值的1/e即37%所需的时间。B点电压10%~90%上升时间为τ(10~90)=2.2τ=2.2Z×C

如果传输线特性阻抗为50欧姆,电容量10pF,则10~90充电时间为1.1ns。如果信号上升时间小于1.1ns,那么B点电压上升时间主要由电容充电时间决定。如果信号上升时间大于1.1ns,末端电容器作用是使上升时间进一步延长,增加约1.1ns(实际应比这个值小)。下图显示了终端电容负载对驱动端和接受端产生影响的示意图,放在这里,让大家能有个感性的认识。

  信号完整性分析3——反射现象_第2张图片

至于信号上升时间增加的精确值是多少,对于电路设计来说没必要,只要定性的分析,有个大致的估算就可以了。因为计算再精确也没实际意义,电路板的参数也不精确!对于设计者来说,定性分析并了解影响,大致估算出影响在那个量级,能给电路设计提供指导就可以了,其他的事软件来做吧。举个例子,如果信号上升时间1ns,电容使信号上升时间增加远小于1ns,比如0.2 ns,那么这么一点点增加可能不会有什么影响。如果电容造成的上升时间增加很多,那可能就会对电路时序产生影响。那么多少算很多?看看电路的时序余量吧,这涉及到电路的时序分析和时序设计。

总之接收端电容负载的影响有两点:

   1、使源端(驱动端)信号产生局部电压凹陷。

   2、接收端信号上升时间延长。

在电路设计中这两点都要考虑。

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