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如果沿互聯(lián)傳播史受到的瞬時阻抗發(fā)生變化,則一部分信號將被反射,另一部分發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去,這一原理正是單一線網(wǎng)中多數(shù)信號完整性問題產(chǎn)生的主要原因。只要信號遇到瞬時阻抗發(fā)生變化就會發(fā)生反射。就形成了振鈴、過沖或者下沖,也就是引起噪聲、甚至是誤觸發(fā)。
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所以我們設(shè)計互聯(lián)的主要目的就是保持瞬時阻抗恒定。因此在設(shè)計過程中,第一,保證特征阻抗不變,第二可以在傳輸線的終端進(jìn)行阻抗匹配,第三,使用良好的布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會影響反射(線上不要有分支和樁線)。
反射系數(shù)(跟后面S11返回?fù)p耗有些相似):
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這個公式熟記。無論信號波形是什么形狀,只要遇到交界面,波形的各部分都有反射。在解決這一問題有下面四個設(shè)計要點
1、使用可控阻抗互聯(lián),2、傳輸線兩端至少有一個端接匹配,3、選擇布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),4、讓幾何結(jié)構(gòu)的任何突變都最小化。之所以產(chǎn)生反射,是因為要滿足兩個重要的邊界條件V1=V2 I1=I2.
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信號導(dǎo)體和返回導(dǎo)體之間的總電壓是沿著這兩個方向傳播的電壓之和。前面特征阻抗公式推導(dǎo)中,電壓和電流的解就是在數(shù)學(xué)上解釋這個問題。
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下面我們講講關(guān)于不同負(fù)載的反射。
一、阻性負(fù)載反射,
如果傳輸線的終端為開路,即傳輸線的末端沒有任何端接,則末端的瞬時阻抗是無窮大(第二區(qū)域可以不是傳輸線,可能是一個相應(yīng)的分立元件或者他們的組合電路)。則反射系數(shù)=1
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入射為1V,末端電壓等于反射電壓和入射電壓之和=2V.如果在末端放一個50Ω的電阻,那么可以使得信號不反射,這也是后面會提到的端接。如果短接,反射系數(shù)為-1,這末端電壓=0.
整個反彈圖如下:
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圖中有兩個重要特性1、遠(yuǎn)端的電壓最終逼近源電壓1V,因為該電路是開路的,所以這是必然結(jié)果。2、開路處的實際電壓有時候大于源電壓。阻抗突變引起的信號失真程度受兩個最重要參數(shù)的影響:信號的上升邊和阻抗突變的大小。當(dāng)信號通過電路元件時,電流和電壓的變化率隨時間變化,所以元件的阻抗也隨時間變化。最簡單的傳輸線電路由近端驅(qū)動器、短的可控阻抗互聯(lián)和遠(yuǎn)端接收器組成。當(dāng)導(dǎo)線很長時,多次反射會引起信號完整性問題,一般將其歸結(jié)為振鈴問題,當(dāng)延時遠(yuǎn)小于上升邊,那么多次反射將被掩蓋在上升沿中,幾乎無法辨認(rèn)也就不會導(dǎo)致潛在的問題。根據(jù)振鈴硬氣的原因,也就是阻抗變化引起的不斷反射。所以如果能在至少一端消除反射就能減小振鈴噪聲??刂苽鬏斁€一端或者兩端的阻抗以減小反射的方法稱為端接。典型的方法就是在重要部位放置一個或多個電阻器。
四種常用端接方法:
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在工作中會遇到的一些匹配。
二、容性負(fù)載反射
所有的接收器都有門輸入電容,當(dāng)信號沿傳輸線到達(dá)末端的理想電容器時,決定反射系數(shù)的瞬時阻抗將隨著時間的變化而變化。
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如果信號上升邊小于電容器的充電時間常數(shù),那么最初的電容器上電壓迅速上升,這是阻抗很小。隨著電容器的充電,電容器的電壓變化率會緩慢下降,這是電容器阻抗將明顯增大。如果時間足夠長,電容器達(dá)到飽和,那么電容器相當(dāng)于斷路。
也就是反射系數(shù)隨著時間的變化而變化。反射信號將會先下跌再上升到開路狀態(tài)是的情況。傳輸電壓模式的長期效果就像通過電阻器向電容器充電。電容器對信號上升沿進(jìn)行濾波,對接收端而言,她相當(dāng)于一個‘時延累加器’。
在容性負(fù)載的傳輸線末端,電壓的變化形式就像RC在充電。其中C是負(fù)載電容量。那么傳輸信號的10%-90%的上升邊主要由充電RC決定,約等于:
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如果信號初始的上升沿比充電時間短,則傳輸線末端的容性負(fù)載引起的時延占主導(dǎo)地位,并決定了接收端的上升邊,如果初始上升邊比延時大,則負(fù)載端的延時為初始信號上升邊累加上約等于10%-90%RC的上升時延。
在走線中,焊盤、過孔、封裝引線或鏈接到互聯(lián)中的短樁線,都起著集總電容的作用。傳輸線中的理想電容的影響由信號上升邊和電容量決定。電容量越大,電容器阻抗就越小,負(fù)反射電壓就越大,從而接收端的下沖就越大。同理,上升邊越短促,電容器阻抗就越小,下沖也越大。
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C表示突變處的電容量。
為了控制下沖,因此在
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我們希望的情況是Zcap無窮大,這樣就不會影響傳輸線的傳輸,返回路徑和信號路徑之間隔斷,希望Zcap>>Z0.因此可推出
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反射噪聲不出問題時的可容許的最大電容量。
中途容性負(fù)載產(chǎn)生的第一位影響是接收端的下沖噪聲,第二位的更復(fù)雜的影響則是遠(yuǎn)端信號的接受時間的延時。
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基本上每個過孔就會增加25ps時延,所以過孔很容易造成嚴(yán)重的時序問題。
走線中,彎曲處的額外寬度是影響信號傳輸唯一因素,它如同一個容性突變。50歐姆傳輸線的一個拐角電容量約等于兩倍線寬。
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信號傳輸線與反射主要就是這些了。其次還有感性突變引起的反射和有載線的一些情況。具體的可以查閱其他資料。
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