1、1，第5章傳輸線和反射，2，5.0引言，如果信號(hào)沿互連線傳播時(shí)的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，一部分信號(hào)將被反射，另一部分信號(hào)將被扭曲并繼續(xù)傳播，這是單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)信號(hào)完整性問(wèn)題的主要原因。反射和失真會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量，看起來(lái)像振鈴。導(dǎo)致信號(hào)電平下降的下沖可能超過(guò)噪聲容限，導(dǎo)致錯(cuò)誤觸發(fā)。下圖顯示了短傳輸線末端瞬態(tài)阻抗突然變化引起的反射噪聲。3，5.0引言，只要信號(hào)遇到瞬態(tài)阻抗的突然變化，就會(huì)發(fā)生反射。反射可能發(fā)生在線的末端，或者在互連線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的地方，例如拐角、通孔、T形結(jié)構(gòu)、連接器等。因此，設(shè)計(jì)互連線的目的是盡可能保持信號(hào)阻抗恒定。首先，保持互連線的特性阻抗不變。因此，制造具有可控阻抗的電路板變得越

2、來(lái)越重要。設(shè)計(jì)技巧，如減少短截線長(zhǎng)度，使用菊花鏈代替分支結(jié)構(gòu)，以及使用真正的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)?，都是為了保持瞬態(tài)阻抗恒定。其次，改進(jìn)了拓?fù)湓O(shè)計(jì)，增加了分立電阻元件，以應(yīng)對(duì)阻抗的突然變化，從而確保信號(hào)的瞬態(tài)阻抗恒定。4，5.1只要瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，一些信號(hào)將沿與原始傳播方向相反的方向反射，而另一部分將繼續(xù)傳播，但幅度將發(fā)生變化。瞬態(tài)阻抗變化的地方稱為阻抗突變，簡(jiǎn)稱突變。反射信號(hào)的幅度由瞬態(tài)阻抗的變化決定，如圖所示。如果第一區(qū)域的瞬態(tài)阻抗是Z1，第二區(qū)域是Z2，則反射信號(hào)的幅度與入射信號(hào)的幅度之比(稍后證明):Vreflected表示反射電壓；Vincident代表入射電壓；Z1代表信號(hào)最初所在區(qū)域1的瞬

3、態(tài)阻抗；Z2代表信號(hào)進(jìn)入?yún)^(qū)域2時(shí)的瞬態(tài)阻抗；表示反射系數(shù)；5，5.1兩個(gè)區(qū)域之間的阻抗差越大，反射的信號(hào)量越大。例如，當(dāng)1V信號(hào)沿特征阻抗為50W的傳輸線傳播時(shí)，瞬態(tài)阻抗最初為50W。當(dāng)進(jìn)入特征阻抗為75W的區(qū)域時(shí)，反射系數(shù)為(75-50)/(75-50)=0.2，反射電壓為1V0.2=0.2V。當(dāng)信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)，會(huì)遇到突然的阻抗變化，在這種突然的變化下會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)波。該波將疊加在第一波上并傳播到源，其振幅等于入射電壓的振幅乘以反射系數(shù)。反射系數(shù)描述了反射回電源的電壓部分。透射系數(shù)描述通過(guò)界面進(jìn)入第二區(qū)域的部分入射電壓。6、5.2反射形成機(jī)理，為了減少和消除反射，高速電路板的設(shè)計(jì)應(yīng)注意四點(diǎn)

4、：采用可控阻抗互連線；傳輸線的至少一端需要匹配；采用布線拓?fù)?，最大限度地減少多個(gè)分支的影響；最小化幾何結(jié)構(gòu)中的不連續(xù)性(突變)。7，5.2反射形成機(jī)制，那么為什么會(huì)發(fā)生反射呢？為了滿足兩個(gè)重要的邊界條件！在突變界面，無(wú)論從區(qū)域1還是區(qū)域2看，界面兩側(cè)的電壓和電流必須相同。邊界上不能有電壓間斷，否則這里會(huì)有無(wú)限的電場(chǎng)；電流不連續(xù)也是不可能的，否則會(huì)有無(wú)限的磁場(chǎng)。8、5.2反射形成機(jī)制，為了保持界面兩側(cè)的電壓和電流相等，有必要滿足V1=V2，I1=I2的關(guān)系。而I1=V1/Z1，I2=V2/Z2同時(shí)保持。顯然，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域的阻抗不同時(shí)，這些關(guān)系永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)成立。為了使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定，在區(qū)域1中產(chǎn)生

5、反射回電源的電壓。它的唯一目的是吸收不匹配的電壓和電流界面兩側(cè)的電壓相同的條件：在區(qū)域1中，界面處的總電流由入射電流和反射電流決定，并且它們的傳播方向相反。1區(qū)界面的凈電流為Iinc-Irefl。在2區(qū)，電流等于伊曲南。從界面兩側(cè)看，相同電流的條件為：10，5.2反射形成機(jī)制，各區(qū)域的阻抗值為該區(qū)域的電壓與電流之比，將其代入電流表達(dá)式，即：反射系數(shù)的定義！11、5.3電阻負(fù)載的反射和傳輸線的終端匹配有三種最重要的特殊情況。假設(shè)傳輸線的特性阻抗為50W。首先，如果傳輸線的端子是開(kāi)路的，也就是說(shuō)，端子的瞬態(tài)阻抗是無(wú)限的。此時(shí)，反射系數(shù)為1:(無(wú)窮大-50)/(無(wú)窮大50)=1。也就是說(shuō)，在開(kāi)口端，

6、將產(chǎn)生與入射波大小相同且方向相反的反射波，并將其返回到源端。在傳輸線的末端(開(kāi)路端的總電壓)，會(huì)有兩個(gè)波的疊加。一個(gè)是振幅為1V的信號(hào)傳播到開(kāi)路端，而另一個(gè)也是1V信號(hào)，但它以相反的方向傳播。因此，開(kāi)路端的電壓為2V。見(jiàn)下圖。12，5.3電阻負(fù)載的反射，如果區(qū)域2是開(kāi)放的，則反射系數(shù)為1。此時(shí)，兩個(gè)方向相反的波疊加在開(kāi)路上。13，5.3電阻負(fù)載的反射，第二種特殊情況是傳輸線的末端與回路短路，即末端阻抗為0。反射系數(shù)為-1:(0-50)/(0-50)=-1。當(dāng)1V入射信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端時(shí)，產(chǎn)生-1V反射信號(hào)并傳播到源端。短路突變時(shí)測(cè)得的電壓是入射電壓和反射電壓之和，即0V。14，5.3電阻負(fù)載的反射，

7、最后一種特殊情況是傳輸線末端的阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配。如果傳輸線的末端連接50W電阻，反射系數(shù)為0，此時(shí)沒(méi)有反射電壓，50W電阻兩端的電壓只是一個(gè)入射信號(hào)。15，5.3電阻性負(fù)載的反射當(dāng)終端為一般電阻性負(fù)載時(shí)，信號(hào)的瞬態(tài)阻抗在0和無(wú)窮大之間，因此反射系數(shù)在-1和1之間。下圖顯示了50W傳輸線的終端電阻與反射系數(shù)之間的關(guān)系。從區(qū)域1到區(qū)域2的各種阻抗信號(hào)的反射系數(shù)為50W。當(dāng)區(qū)域2的阻抗小于區(qū)域1的阻抗時(shí)，反射系數(shù)為負(fù)，反射電壓也為負(fù)。負(fù)電壓行波將返回電源。此時(shí)，電阻器(負(fù)載)兩端的電壓總是小于入射電壓。1V入射信號(hào)，端電壓值。是入射波和反射波的總和。17、5.3電阻性負(fù)載的反射，那么使用

8、源匹配還是終端匹配？人們常說(shuō)源匹配更好。為什么？假設(shè)源極端不匹配(例如50W的傳輸線特性阻抗和10W的源內(nèi)阻)，而終端匹配(50W的終端負(fù)載)。此時(shí)，由于傳輸線上的分壓，實(shí)際端電壓小于1V(50/601V=0.83V)。此外，終端經(jīng)常被給予或需要高電阻負(fù)載，這是很難匹配的。相反，對(duì)于1V信號(hào)源，當(dāng)源端為單端匹配(50W)且端子開(kāi)路時(shí)，通過(guò)劃分傳輸線獲得的0.5V在端子處疊加為1V。當(dāng)反射波返回到源時(shí)，它被吸收并且不形成振鈴。因此，終端波形是1V的階躍函數(shù)。18，5.4求解驅(qū)動(dòng)源的內(nèi)部阻抗，當(dāng)反射波最終到達(dá)源時(shí)，將源的輸出阻抗作為瞬態(tài)阻抗。假設(shè)器件的等效電路模型是理想電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)，如圖所示。

9、當(dāng)它驅(qū)動(dòng)高阻抗時(shí)，可以獲得源輸出電壓。如果在輸出端串聯(lián)一個(gè)Rt=10W的小電阻，驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電阻Rs，20，5.5，進(jìn)入傳輸線的實(shí)際電壓是入射電壓，它由由源電壓、內(nèi)阻和傳輸線阻抗組成的分壓器決定。如果傳輸線的時(shí)間延遲TD、信號(hào)通過(guò)的每個(gè)區(qū)域的阻抗和驅(qū)動(dòng)器的初始電壓是已知的，則可以計(jì)算每個(gè)接口的反射，并且還可以預(yù)測(cè)任何點(diǎn)的實(shí)時(shí)電壓。例如，如果源電壓為1V，內(nèi)阻為10W，則以1ns延遲實(shí)際進(jìn)入50W傳輸線的電壓為1V 50/(5010)=0.84V，該0.84V信號(hào)是沿傳輸線傳播的初始入射電壓。21，5.5反彈圖，假設(shè)傳輸線的末端是開(kāi)路，在1ns之后在線路末端測(cè)量的開(kāi)路兩端的總電壓是兩個(gè)波的和，即

10、0.84V 0.84V=1.68V。在另一個(gè)1ns之后，0.84V反射波到達(dá)源端，并再次遇到阻抗突變(內(nèi)部電阻為10W)。光源的反射系數(shù)為(10-50)/(10-50)=-0.67，然后0.84伏(-0.67)=-0.56伏將被反射回線的遠(yuǎn)端。然后，新產(chǎn)生的波將從遠(yuǎn)端反射回源，即-0.56伏的電壓將被反射回來(lái)。此時(shí)，將在線路遠(yuǎn)端的開(kāi)路處測(cè)量四個(gè)波：初級(jí)行波的20.84伏=1.68伏，次級(jí)反射的2(-0.56伏)=-1.12伏，因此總電壓為0.56伏.22，5.5反彈圖，-0.56伏信號(hào)到達(dá)信號(hào)源后仍會(huì)再次反射，反射電壓為-0.56伏(-0.67)=0.37伏.在遠(yuǎn)端，總電壓為0.56v0.37

11、v2=1.32v，如果繼續(xù)這樣，反射可以用回彈圖或網(wǎng)格圖表示，如圖所示。使用回彈圖或網(wǎng)格圖分析遠(yuǎn)程接收器的多次反射和時(shí)變電壓。23，5.5，在上述情況下，內(nèi)阻小于傳輸線的特性阻抗，并且在源端出現(xiàn)負(fù)反射，這將導(dǎo)致所謂的振鈴現(xiàn)象。下圖顯示了在上述示例中，當(dāng)信號(hào)上升時(shí)間遠(yuǎn)小于傳輸線的時(shí)間延遲時(shí)，傳輸線遠(yuǎn)端的電壓波形。通過(guò)這種方式，SPICE模擬器用于預(yù)測(cè)遠(yuǎn)端波形，考慮所有多次反射和突然的阻抗變化。輸電線路遠(yuǎn)端的電壓用電網(wǎng)圖模擬。通過(guò)SPICE模擬獲得。24，5.5，圖中有兩個(gè)重要特征：首先，遠(yuǎn)端的電壓最終接近源電壓1V，因?yàn)殡娐肥情_(kāi)路的。因此，這是不可避免的結(jié)果，也就是說(shuō)，源電壓最終被施加到開(kāi)路。其

12、次，開(kāi)路時(shí)的實(shí)際電壓有時(shí)大于電源電壓。源電壓僅為1V，但在遠(yuǎn)端測(cè)得的最大電壓為1.68V，25，5.6。當(dāng)終端是具有復(fù)阻抗的設(shè)備時(shí)，電路仿真計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單。內(nèi)部電阻10W驅(qū)動(dòng)器，特性阻抗50W傳輸線，SPICE模擬中的可能情況。上圖顯示了信號(hào)上升時(shí)間不同時(shí)的遠(yuǎn)端電壓；下圖顯示了串聯(lián)電源電阻不同時(shí)的遠(yuǎn)端電壓。26、5.6反射波形模擬、內(nèi)阻、傳輸線特性阻抗、時(shí)間延遲和終端阻抗可以以多種不同方式組合，每種方式都可以模擬。上圖顯示了當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間從0.1ns上升到1.5ns，源極端子的端接阻抗從0W變化到90W時(shí)，遠(yuǎn)端信號(hào)波形的變化。無(wú)論是使用SPICE電路模擬器還是行為級(jí)模擬器，考慮到傳輸線的所有特

13、性，都可以模擬任何傳輸線電路的性能。27，5.7 TDR用于測(cè)量反射。時(shí)域反射儀(TDR)可以發(fā)射具有快速上升沿的階躍信號(hào)，通常從35ps到150ps，然后測(cè)量反射的瞬態(tài)幅度，并使用反射電壓獲得被測(cè)器件的阻抗。TDR可以看作是一個(gè)快速步進(jìn)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)高速采樣示波器。28，5.7使用TDR測(cè)量反射，下圖是TDR內(nèi)部工作狀態(tài)的示意圖。TDR內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖高速脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)快速上升的電壓脈沖，該脈沖流過(guò)一個(gè)精確的50W電阻，該電阻與一根短的50W同軸電纜串聯(lián)，最后連接到一個(gè)輸出端測(cè)試點(diǎn)有兩個(gè)電阻，第一個(gè)是內(nèi)部校準(zhǔn)電阻，第二個(gè)是TDR內(nèi)部的傳輸線。在測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量電壓為：400毫伏50瓦/(50毫伏

14、50瓦)=200毫伏，顯示在高速采樣示波器上。信號(hào)繼續(xù)沿著內(nèi)部同軸電纜到達(dá)DUT。30，5.7 TDR用于測(cè)量反射。如果DUT是一個(gè)50W的終端，這里沒(méi)有反射信號(hào)，所以采樣點(diǎn)的唯一電壓是正向波，它的電壓恒定在200毫伏。如果DUT開(kāi)路，DUT的反射電壓為200毫伏。短時(shí)間后，200毫伏反射信號(hào)返回采樣點(diǎn)。此時(shí)，測(cè)量并顯示200毫伏入射電壓和200毫伏反射電壓之和，即400毫伏。如果DUT短路，DUT的反射電壓為-200毫伏。短時(shí)間后，-200毫伏反射信號(hào)返回采樣點(diǎn)。此時(shí)，測(cè)量并顯示200毫伏的入射電壓和-200毫伏的反射電壓之和，即0V。31，5.7使用TDR測(cè)量反射，當(dāng)DUT開(kāi)路和短路時(shí)測(cè)量

15、的TDR對(duì)應(yīng)。32，5.7使用TDR測(cè)量反射，TDR可以測(cè)量?jī)x器前端連接到形狀記憶合金插頭的各種互連產(chǎn)生的反射電壓，以及信號(hào)沿互連線傳播并在所有突變處反射時(shí)電壓隨時(shí)間的變化。當(dāng)需要了解無(wú)源無(wú)電壓源互連的特性時(shí)，TDR是最合適的測(cè)量?jī)x器。在測(cè)量有源電路的實(shí)際電壓時(shí)，帶高阻抗探頭的高速示波器是最合適的工具。33，5.7 TDR用于測(cè)量反射。當(dāng)傳輸信號(hào)繼續(xù)沿DUT傳播時(shí)，如果存在瞬態(tài)阻抗改變的其他區(qū)域，將產(chǎn)生新的反射電壓，該電壓將返回到內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)并被顯示。入射信號(hào)沿著互連線傳播，而反射信號(hào)沿著互連線返回到測(cè)試點(diǎn)，因此從顯示器上看到的時(shí)間延遲只是任何突變點(diǎn)的往返時(shí)間延遲。例如，如果DUT是一條統(tǒng)一的4

16、in長(zhǎng)，50W的傳輸線，因?yàn)樗ǔ２煌耆?0W。這樣，首先在DUT入口處會(huì)有一個(gè)小的反射電壓，當(dāng)入射信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端開(kāi)路時(shí)，一個(gè)大的反射信號(hào)將返回到測(cè)試點(diǎn)。34，5.7使用TDR測(cè)量反射，如果傳輸線DUT不是50W，在傳輸線DUT的兩端將發(fā)生多次反射。TDR顯示返回內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)的所有信號(hào)的疊加。下圖顯示了終端打開(kāi)時(shí)，TDR對(duì)50W傳輸線DUT和15W傳輸線DUT的響應(yīng)。左邊的時(shí)基是200ps/div，右邊的時(shí)基是5ns/div，35，5.8傳輸線的無(wú)意突變和阻抗變化將不可避免地導(dǎo)致反射。為了預(yù)測(cè)阻抗的突然變化，有必要選擇合適的設(shè)計(jì)方案。然而，即使電路板設(shè)計(jì)有可控阻抗互連線，在下列無(wú)意情況下，信號(hào)仍會(huì)遇到阻抗的突然變化：線的末端；封裝引線；輸入柵極電容；信號(hào)層之間的通孔；角落。樁線(樁)。樹(shù)枝；測(cè)試墊；返回路徑上的間隙；通路區(qū)域的頸部；線交叉了。36，5.8傳輸