信号完整性——反射
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
c 1 v= = • 12in / ns ε r µr ε r µr
传输线信号的延时
� 几乎所有介质材料μ 为1，FR4材料ε在4-4.5 之间，通常取4，得到经验法则： 多数传输线中信号速度：V= 6 in/ns � 延时与互联线长度关系为： TD=Len/V
传输线的阻抗
� 瞬态阻抗：信号每时传输时受到的阻抗 等于线上所加电压与电流的比值 � 零阶模型中：Z=1 / CL V
返回路径
反射
� 单一网络的信号质量，引起振铃。 � 产生： 信号沿互联线传播时受到的瞬态阻抗发生 变化。 如线的末端、拐角、过孔、 T型线、插接 件、封装处。
反射
� 设计目的： 尽可能保持信号受到的阻抗恒定。 � 方法： 1：保持走线阻抗恒定 2：根据设计调整阻抗
反射形成机理
反射系数： 传输系数：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (ns) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
Date: Wednesday Apr. 15, 2009 Time: 14:41:37 Show Latest Waveform = YES, Show Previous Waveform = YES
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
1 1 1 + = R1 R2 Z 0
优点： 终端匹配电阻同时作 为上拉电阻和下拉电 阻来使用，提高了系 统的噪声容限。
缺点： 无论逻辑状态是高还是低，在 VCC到地之间都会有一个常量的 直流电流，导致终端匹配电阻 中有静态的直流功耗。
戴维南端接
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
远端并联端接
>
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
� Signal Integrity – Simplified By Eric Bogatin
�
传输线延时TD>信号上升时间 RT的20%。 如果RT=1ns，最大延时0.2ns，最大长度1.2in。 粗略法则：Lenmax <RT 完美时序 ——时钟产生和分发设计指南 线路延时必须至少比时钟上升时间快六倍
8. 000
8. 000
7. 000 7. 000 6. 000
6. 000
5. 000
5. 000
4. 000 V o l t a g e -V V ol t a g e -V -
4. 000
3. 000
3. 000
2. 000
2. 000
1. 000
1. 000
0. 000
0. 000
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (n s) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr obe Pr obe Pr obe Pr obe 1: 5: 1: 5: U( A0) U( B0) U( A0) U( B0) ( ( ( ( at at at at pi pi pi pi n) n) n) n)
点对点拓扑常用端接方法
� 源端串联端接 � 远端并联端接 � 戴维南端接 � RC端接
源端串联端接
源端串联端接
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (n s) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
Date: Wednesday Apr. 15, 2009 Time: 14:41:37 Show Latest Waveform = YES, Show Previous Waveform = YES
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (ns) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
Date: Wednesday Apr. 15, 2009 Time: 14:41:37 Show Latest Waveform = YES, Show Previous Waveform = YES
R Z0 = G Z0 = L C
特性阻抗的本质
� 高频的交流信号在传输时，信号和它的回 流之间存在变化的电场，从而引发变化的 磁场，电磁场的能量大部分集中在导体和 回流平面之间的介质中， 阻抗就是传输 线和介质共同作用结果下的阻止电磁场变 化传播的固有特性，因而只和传输线的宽 度，厚度，离参考平面的距离，以及介质 的介电常数有关
传输线的阻抗
� 特性阻抗 均匀传输线，在任何一处受到的瞬态阻 抗是相同的，称为特征阻抗 Z0 它是传输线的固有特征，仅与材料特性、 介电常数和单位长度电容有关，而与传输线 长度无关。
传输线的阻抗
Z0 =
R + jω L = ZS ZP G + jωC
� 在低频情况下，比如信号频率 小于1KHz时，特性阻抗为： � 当信号频率很高，比如大于 100MHz时，简化为：
RC端接
>
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
Vr Z 2 − Z1 ρ= = Vi Z 2 + Z1
Vt 2Z 2 = Vi Z 2 + Z1
t=
三种特殊情况
Vr Z 2 − Z1 ρ= = Vi Z 2 + Z1
� 终端开路： Z2=∞，ρ=1，Vr=Vi，Vt=2Vi � 终端短路 Z2=0，ρ=-1，Vr=-Vi，Vt=0 � 阻抗匹配 Z2= Z1 ，ρ=0，Vr=0，Vt=Vi
8. 000
8. 000
7. 000
7. 000
6. 000
6. 000
5. 000
5. 000
4. 000 V o l t a g e -V V o l t a g e -V -
4. 000
3. 000
3. 000
2. 000
2. 000
1. 000
1. 000
0. 000
0. 000
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (n s) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
信号完整性分析
反射的理论分析和仿真
传输线
� 传输线是一种新的理想电路元件 � 简单的说，传输线是由两条有一定长度的 导线组成。如信号在走线上的传输时间大 于电平跳变上升/下降时间的一半，则该走 线判定为传输线。 � 两个特征：特性阻抗，延时
传输线中的信号速度
� 导线周围的材料、信号在传输线导体 周围形成的电磁场的建立速度和传播 速度，共同决定了信号的传播速度。
反射引起的振铃效应
源端 低阻抗
传输线 50Ω
远端 高阻抗
振铃是由源端和远端的阻抗突变， 两端之间不断的多次反射形成的， 至少在一端消除反射，就和以减 少振铃噪声
反弹图
源电压1V，内阻10Ω，延时 1ns，终端开路。
何时需要端接
导线很长时，多次反射引起振铃，导线足够短，虽然产生反射，却 被上升沿或下降沿掩盖，不会引起问题 经验法则：
8. 000
8. 000
7. 000
7. 000
6. 000
6. 000
5. 000
5. 000
4. 000
4. 000 V ol t a g e -V -
V o l t a g e -V -
3. 000
3. 000
2. 000
2. 000
1. 000
1. 000
0. 000
0. 000
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (n s) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
OSCILLOSCOPE
Design file: 001.TLN Designer: wdchen HyperLynx V7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
Date: Wednesday Apr . 15, 2009 Time: 14:43:46 Show Latest W aveform = YES, Show Previous Waveform = YES
远端并联端接
通过电阻R将传输线的末 端下拉到地。电阻R的值 必须同传输线的特征阻抗 Z0匹配，以消除信号的反 射。 优点： 设计和应用简便易行 缺点： 终端匹配电阻会带来直 流功率消耗，切会改变 输出电平
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001 .TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr obe Pr obe Pr obe Pr obe 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
Date: Wednesday Apr. 15, 2009 Time: 14:51:51 Show Latest Waveform = YES, Show Previous Waveform = YES
RC端接
RC端接是并联端接的变异，在地和 端接电阻之间添加了一个电容器以隔 断恒定的直流电流。 R的值同传输线 的特征阻抗 Z0匹配以消除反射。 C值 需要确保在时钟周期的高电平或低电 平期间电容器没有明显的放电现象。 优点： 电容阻隔了直流通路，因此节省 了功率消耗，恰当地选取电容的 值，可以确保负载端的信号波形 接近理想的方波，同时信号的过 冲与下冲又都很小。 缺点： 电容值的选择十分复杂
Date: Wednesday Apr . 15, 2009 Time: 14:48:11 Show Latest Waveform = YES, Show Previous Waveform = YES
戴维南端接
戴维宁等效电路在线路 端使用一个上拉/下拉电 阻对。 两个电阻的并联 组合等于线路的阻抗
传输线信号的延时
� 几乎所有介质材料μ 为1，FR4材料ε在4-4.5 之间，通常取4，得到经验法则： 多数传输线中信号速度：V= 6 in/ns � 延时与互联线长度关系为： TD=Len/V
传输线的阻抗
� 瞬态阻抗：信号每时传输时受到的阻抗 等于线上所加电压与电流的比值 � 零阶模型中：Z=1 / CL V
返回路径
反射
� 单一网络的信号质量，引起振铃。 � 产生： 信号沿互联线传播时受到的瞬态阻抗发生 变化。 如线的末端、拐角、过孔、 T型线、插接 件、封装处。
反射
� 设计目的： 尽可能保持信号受到的阻抗恒定。 � 方法： 1：保持走线阻抗恒定 2：根据设计调整阻抗
反射形成机理
反射系数： 传输系数：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (ns) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
Date: Wednesday Apr. 15, 2009 Time: 14:41:37 Show Latest Waveform = YES, Show Previous Waveform = YES
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
1 1 1 + = R1 R2 Z 0
优点： 终端匹配电阻同时作 为上拉电阻和下拉电 阻来使用，提高了系 统的噪声容限。
缺点： 无论逻辑状态是高还是低，在 VCC到地之间都会有一个常量的 直流电流，导致终端匹配电阻 中有静态的直流功耗。
戴维南端接
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
远端并联端接
>
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
� Signal Integrity – Simplified By Eric Bogatin
�
传输线延时TD>信号上升时间 RT的20%。 如果RT=1ns，最大延时0.2ns，最大长度1.2in。 粗略法则：Lenmax <RT 完美时序 ——时钟产生和分发设计指南 线路延时必须至少比时钟上升时间快六倍
8. 000
8. 000
7. 000 7. 000 6. 000
6. 000
5. 000
5. 000
4. 000 V o l t a g e -V V ol t a g e -V -
4. 000
3. 000
3. 000
2. 000
2. 000
1. 000
1. 000
0. 000
0. 000
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (n s) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr obe Pr obe Pr obe Pr obe 1: 5: 1: 5: U( A0) U( B0) U( A0) U( B0) ( ( ( ( at at at at pi pi pi pi n) n) n) n)
点对点拓扑常用端接方法
� 源端串联端接 � 远端并联端接 � 戴维南端接 � RC端接
源端串联端接
源端串联端接
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (n s) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
Date: Wednesday Apr. 15, 2009 Time: 14:41:37 Show Latest Waveform = YES, Show Previous Waveform = YES
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (ns) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
Date: Wednesday Apr. 15, 2009 Time: 14:41:37 Show Latest Waveform = YES, Show Previous Waveform = YES
R Z0 = G Z0 = L C
特性阻抗的本质
� 高频的交流信号在传输时，信号和它的回 流之间存在变化的电场，从而引发变化的 磁场，电磁场的能量大部分集中在导体和 回流平面之间的介质中， 阻抗就是传输 线和介质共同作用结果下的阻止电磁场变 化传播的固有特性，因而只和传输线的宽 度，厚度，离参考平面的距离，以及介质 的介电常数有关
传输线的阻抗
� 特性阻抗 均匀传输线，在任何一处受到的瞬态阻 抗是相同的，称为特征阻抗 Z0 它是传输线的固有特征，仅与材料特性、 介电常数和单位长度电容有关，而与传输线 长度无关。
传输线的阻抗
Z0 =
R + jω L = ZS ZP G + jωC
� 在低频情况下，比如信号频率 小于1KHz时，特性阻抗为： � 当信号频率很高，比如大于 100MHz时，简化为：
RC端接
>
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001.TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
Vr Z 2 − Z1 ρ= = Vi Z 2 + Z1
Vt 2Z 2 = Vi Z 2 + Z1
t=
三种特殊情况
Vr Z 2 − Z1 ρ= = Vi Z 2 + Z1
� 终端开路： Z2=∞，ρ=1，Vr=Vi，Vt=2Vi � 终端短路 Z2=0，ρ=-1，Vr=-Vi，Vt=0 � 阻抗匹配 Z2= Z1 ，ρ=0，Vr=0，Vt=Vi
8. 000
8. 000
7. 000
7. 000
6. 000
6. 000
5. 000
5. 000
4. 000 V o l t a g e -V V o l t a g e -V -
4. 000
3. 000
3. 000
2. 000
2. 000
1. 000
1. 000
0. 000
0. 000
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (n s) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
信号完整性分析
反射的理论分析和仿真
传输线
� 传输线是一种新的理想电路元件 � 简单的说，传输线是由两条有一定长度的 导线组成。如信号在走线上的传输时间大 于电平跳变上升/下降时间的一半，则该走 线判定为传输线。 � 两个特征：特性阻抗，延时
传输线中的信号速度
� 导线周围的材料、信号在传输线导体 周围形成的电磁场的建立速度和传播 速度，共同决定了信号的传播速度。
反射引起的振铃效应
源端 低阻抗
传输线 50Ω
远端 高阻抗
振铃是由源端和远端的阻抗突变， 两端之间不断的多次反射形成的， 至少在一端消除反射，就和以减 少振铃噪声
反弹图
源电压1V，内阻10Ω，延时 1ns，终端开路。
何时需要端接
导线很长时，多次反射引起振铃，导线足够短，虽然产生反射，却 被上升沿或下降沿掩盖，不会引起问题 经验法则：
8. 000
8. 000
7. 000
7. 000
6. 000
6. 000
5. 000
5. 000
4. 000
4. 000 V ol t a g e -V -
V o l t a g e -V -
3. 000
3. 000
2. 000
2. 000
1. 000
1. 000
0. 000
0. 000
- 1. 000 0. 000 5. 000 10. 000 15. 000 20. 000 25. 000 Tim e (n s) 30. 000 35. 000 40. 000 45. 000 50. 000
OSCILLOSCOPE
Design file: 001.TLN Designer: wdchen HyperLynx V7.5 Pr o b e Pr o b e Pr o b e Pr o b e 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
Date: Wednesday Apr . 15, 2009 Time: 14:43:46 Show Latest W aveform = YES, Show Previous Waveform = YES
远端并联端接
通过电阻R将传输线的末 端下拉到地。电阻R的值 必须同传输线的特征阻抗 Z0匹配，以消除信号的反 射。 优点： 设计和应用简便易行 缺点： 终端匹配电阻会带来直 流功率消耗，切会改变 输出电平
>
OSCILLOSCOPE
Design file : 001 .TLN Designer : wdchen HyperLynx V 7.5 Pr obe Pr obe Pr obe Pr obe 1: 5: 1: 5: U( A0 ) U( B0 ) U( A0 ) U( B0 ) ( at ( at ( at ( at pi pi pi pi n) n) n) n)
Date: Wednesday Apr. 15, 2009 Time: 14:51:51 Show Latest Waveform = YES, Show Previous Waveform = YES
RC端接
RC端接是并联端接的变异，在地和 端接电阻之间添加了一个电容器以隔 断恒定的直流电流。 R的值同传输线 的特征阻抗 Z0匹配以消除反射。 C值 需要确保在时钟周期的高电平或低电 平期间电容器没有明显的放电现象。 优点： 电容阻隔了直流通路，因此节省 了功率消耗，恰当地选取电容的 值，可以确保负载端的信号波形 接近理想的方波，同时信号的过 冲与下冲又都很小。 缺点： 电容值的选择十分复杂
Date: Wednesday Apr . 15, 2009 Time: 14:48:11 Show Latest Waveform = YES, Show Previous Waveform = YES
戴维南端接
戴维宁等效电路在线路 端使用一个上拉/下拉电 阻对。 两个电阻的并联 组合等于线路的阻抗