|
最近在看高速信号的内容，实际工作中接触过相关内容，但总感觉云里雾里，看待问题还是一知半解，觉得有必要把这部分的内容重新梳理一下，所以打算把高速信号的内容整理成以下几个系列，如下： 高速信号之传输线 高速信号之均衡 高速信号之反射与端接 高速信号之串扰 高速信号之抖动 高速信号之眼图 高速信号之扩频时钟 等等等....... 实在能力有限，暂且就想到这么多。这些内容短时间肯定梳理不完，每一个系列我想的是尽可能系统的来介绍相关的内容（能力有限，见谅见谅），并带有实际案例分析。可以让大家得到不一样的东西，加深对高速信号的理解，同时自己在这个过程中学有所得，至少或者说是强迫自己能够坚持下去（就不多叭叭了，正式开始） 今天就以反射与端接作为这一系列的开篇，主要介绍以下几部分内容： 1、为什么要了解反射 2、什么情况下需要考虑反射 3、如何来定义反射 4、为什么会存在反射 5、反射的三种极端情况 6、反射的解决方案-端接 7、由拓扑结构选择端接方式 为什么要了解反射 随着电子技术的发展，电路的规模越来越大，单个器件集成的功能越来越多，速率越来越高，器件引脚的信号变化沿速率也越来越高，导致SI问题越来越多，主要是反射、串扰、辐射。而反射是由于信号传输路径上的阻抗不连续造成，严重的反射将破坏信号的完整性,并引起信号过冲现象,从而出现错误的数字逻辑和毁坏器件，了解反射的来源和解决方案有助于我们更好的进行系统设计和解决信号完整性问题。 什么情况下需要考虑反射 文章的标题是高速信号之反射与端接，当然只有在高速信号中才需要考虑信号的阻抗匹配，那么怎么来界定高/低速信号呢？可以在网上搜索到的或者一般性结论有如下几条： 频率大于50MHZ的信号； 需要考虑趋肤效应带来的影响时的信号； 边沿时间小于100PS的信号； 实际上这些说法都不太准确，周期频率高的一定是高速信号信号吗？答案肯定是否定的。下面通过两个方法给大家介绍一下怎么区分高/低速信号。 方法1：信号的走线长度大于信号有效波长的1/6时，即为高速信号。 事实上我们考虑信号的最高频率不是周期频率F，而是信号的有效频率Fknee。有效频率只有信号的上升沿时间有关，定义如下：
其中Tr是信号的10%-90%上升沿时间。 信号波长与信号频率的关系如下：
其中C为信号在PCB上的传输速度， 同时在低速信号的传输路径上各点的电平大致相同，而高速信号传输路径上各点电平存在较大差异。因此低速信号可以用集总式思维分析，高速信号需要用分布式思维看待。由此可知，高速低速的区分，不禁取决于信号频率，还取决于传输路径的长度。 综上所述，区分高速和低速信号的步骤如下： 第一步：计算信号的有效频率Fknee和走线长度L 第二步：利用Fknee计算出信号的有效波长λknee。 第三步：判断L与1/6*λknee的关系，若L>1/6*λknee，则信号为高速信号。 （在已有PCB板的情况下，我们可以直接测量信号的上升沿时间从而计算Fknee的值，而没有现成电路的情况下默认信号有效频率是信号周期频率的7倍。例如频率为100M的周期信号，我们可认为有效频率Fknee为700M。）
【案例】 信号1：周期频率100MHz,上升沿时间2ns，走线长度6in 信号2：周期频率100MHz,上升沿时间0.5ns，走线长度6in 【解释】 根据有效频率Fknee和的计算公式，可以得到： 对信号1： Fknee=0.5/2ns=250MHz λknee=C/ Fknee= /250MHz =1.2m=47in 对信号2： Fknee=0.5/0.5ns=1000MHz λknee=C/ Fknee= /1000MHz =0.3m=12in 其中，1m=39.37in 信号1走线长度为6in,小于λknee的1/6,因此为低速信号。对于信号2走线长度同为6in,大于λknee的1/6,因此为高速信号。 方法2：信号的上升沿时间小于6倍信号的传输延时，即为高速信号 信号的上升时间可以通过IBIS模型或是数据手册获取，或使用方法1进行计算。而传输延时则可以按照信号线总长度除以信号传播速度进行计算，信号传输速度近似值约为6mil/ps。
【案例】 信号1：周期频率100MHz，上升沿时间为100ps，传播距离60mil 信号2：周期频率100MHz，上升沿时间为100ps，传播距离600mil 【解释】 信号1：根据6mil/ps传输速度进行计算，60mil的传播距离传输延时为60/6=10ps。100ps > 10ps*6,此信号就不算为高速信号。 信号2：同样的信号，传播距离改为600mil，600mil的传播距离传输延时为600/6=100ps。100ps < 100ps*6,就需要将此信号作为高速信号进行处理。 如何来定义反射 如下如所示，假设驱动端的输出阻抗为17Ω，传输线阻抗为50Ω，负载端1K。我们将信号类比为水流，阻抗的高低类比于管道的粗细。可以看出阻抗低的部分管道粗，水流比较大。阻抗高的部分管道细，水流比较小。在管道粗度不一致的地方（阻抗不连续的地方）水流发生了变化，有一部分水流是流不过去的，并且还影响到了流过来的水流。信号也是如此，在阻抗不连续的地方产生了反射，反射信号叠加在了原信号上，造成信号失真。
信号沿传输线传播时，其路径上的每一步都有相应的瞬时阻抗。如果互连的阻抗是可控的，瞬时阻抗就等于线的特性阻抗，无论什么原因使瞬时阻抗发生了变化，部分信号将沿着与传播方向相反的方向反射，而另一部分将继续传播，但幅度有所改变，瞬时阻抗发生变化的地方称为阻抗突变。
反射信号的量值由瞬时阻抗的变化量决定，假设区域1的瞬时阻抗为Z1，区域2的瞬时阻抗为Z2，则反射信号与入射信号之间的幅值之比为：
其中 两个区域的阻抗差异越大，反射信号量就越大。例如，如果1V的信号沿特性阻抗为50Ω的传输线传播，当它进入75Ω的区域时，反射系数为（75-50）/（75+50）=20%，反射电压为0.2*1=0.2V。时域中，无论什么样的波形，只要遇到交界面，波形的各个部分的20%都会被反射回去。频域中，所有波形都为正弦波，每个正弦波都会被反射，且反射的幅值和相位都可以从上述公式计算出来。 今天得文章暂且到此结束，后面的内容会马上跟上，谢谢！ |
|
|
，F表示信号的有效频率Fknee。
称为反射电压，
称为入射电压，
称为传输电压。
