信号完整性——反射
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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Date: Wednesday Apr. 15, 2009 Time: 14:41:37 Show Latest Waveform = YES, Show Previous Waveform = YES
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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
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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
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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：
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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)
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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
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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