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信号完整性分析——阻抗匹配与信号反射

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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,信号都会发生反射。这些因素可能包括过长的走线,末端匹配的传输线,过量的电容或电感及阻抗失配。

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反射会造成信号过冲(Overshoot)、下冲(Undershoot)、振铃(Ringing)、边沿迟缓也就是阶梯电压波。过冲是振铃的欠阻尼状态,边沿迟缓是振铃的过阻尼状态。过冲是指信号跳变的第一个峰值或谷值,它是在电源电平之上或参考地电平之下的额外电压效应。

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边沿迟缓我们也成为台阶,回勾现象,其危险主要是会造成误触发。

下冲是指信号跳变的下一个谷值或峰值。过冲与下冲都是不利的因素,过大的过冲电压经常长期性地冲击会造成器件的损坏,如上图所示。严重的下冲会超过接收器件的门限而导致电路的逻辑错误。如果信号在驱动器和接收器之间来回多次反射,就会产生振铃现象,这增加了信号稳定所需要的时间,从而也影响了系统稳定的时序。

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当驱动器发射一个信号进入传输线时,信号的幅值取决于电压、缓冲器的内阻和传输线的阻抗。驱动器端看到的初始电压决定于内阻和线阻抗的分压。

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反射系数为ρ,其中-1≤ρ≤1

当ρ=0时无反射发生

当ρ=1(Z 2 =∞,开路)时发生全正反射

当ρ=-1(Z2 =0,短路)时发生全负反射

初始电压,是源电压Vs(2V)经过Zs(25欧姆)和传输线阻抗(50欧姆)分压。

Vinitial=1.33V

后续的反射率按照反射系数公式进行计算

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源端的反射率,是根据源端阻抗(25欧姆)和传输线阻抗(50欧姆)根据反射系数公式计算为-0.33;

终端的反射率,是根据终端阻抗(无穷大)和传输线阻抗(50欧姆)根据反射系数公式计算为1;

我们按照每次反射的幅度和延时,在最初的脉冲波形上进行叠加就得到了这个波形,这也就是为什么,阻抗不匹配造成信号完整性不好的原因。

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下面还有一个关于双向IO的例子,图中青色和黄色的分别为片选信号CS和读使能信号OE,当片选信号CS为低电平时,数据IO由A端器件或者由B端器件驱动(根据OE信号状态)。然而当片选信号CS为高电平时,AB两端都不驱动数据IO,即数据IO两端均为高阻态。

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当数据IO两端均为高组态之前的状态为低电平时,则数据IO将继续保持低电平状态;当之前的状态为高电平时,则数据IO将受信号反射和传输线损耗的作用,表现为电压逐渐下降的状态,直至数据IO被AB任意一端所驱动。如果想消除这种现象,可以考虑在数据IO上加上拉(或者下拉,需要符合协议要求),比如I2C总线。

当然,信号反射现象也并非一无是处,比如PCI总线就利用了信号反射来实现了低功耗的设计(但是却限制了速率和负载……):http://blog.chinaaet.com/justlxy/p/5100053079

还有一个比较有意思的例子,关于感性负载(感抗不连续)引起的反射现象,导致只有几MHz的低速信号异常的问题:http://www.edadoc.com/cn/TechnicalArticle/Show.aspx?id=1363


主要参考资料与推荐阅读:

1、http://www.sohu.com/a/254665341_657253

2、https://blog.csdn.net/weixin_42229404/article/details/81319723

3、http://www.sohu.com/a/235918881_465219

4、http://www.elecfans.com/d/656089.html

5、https://blog.csdn.net/xing414736597/article/details/77258217

6、https://www.allaboutcircuits.com/textbook/radio-frequency-analysis-design/real-life-rf-signals/understanding-reflections-and-standing-waves-rf-circuit-design/

7、http://www.edadoc.com/cn/TechnicalArticle/show.aspx?id=559

8、http://www.edadoc.com/cn/TechnicalArticle/show.aspx?id=573

9、http://www.edadoc.com/cn/TechnicalArticle/show.aspx?id=578

10、http://www.edadoc.com/cn/TechnicalArticle/show.aspx?id=844