高速数字电路设计中反射的影响及其抑制方法

第22卷第11期

系统工程与电子技术Systems Engineering and Electronics

Vol 122,No 1112000

收稿日期:1999-11-10 修订日期:2000-04-29

作者简介:王宏伟(1971-),男,北京理工大学电子工程系博士,主要研究方向为雷达信号处理技术。

文章编号:1001-506X(2000)11-0081-03

高速数字电路设计中反射的影响及其抑制方法

王宏伟 高梅国 韩月秋

北京理工大学电子工程系,100081

摘 要 主要研究了高速数字电路设计中信号反射的抑制方法。理论上分析了信号反射产生的原因及其对电路设计指标的影响,通过电路仿真,比较不同的布局布线和端接策略,并针对具体情况,提出了合理的布局布线和端接方法。该方法已成功应用于多DSP 并联处理系统中,实践证明该方法可靠、系统工作稳定。

主题词 数字电路 信号反射 电路设计中图分类号:TN911172

The Influence and Elimination Method of Reflections in High-Speed Digital-Circuit Design

Wang Hongwei Gao Meiguo Han Yueqiu

De partment o f Ele ctronics Engine ering ,Bei jing Institute o f Technology,100081

A bstract This paper studies the elimination method of reflections i n hi gh-speed digital-circui t design.The cause and i nflu -ence of reflections of high-speed digital signal are analyzed.All kinds of termination techniques and board layout are compared and si mulated.The proper termination technique and board layou t are promoted according to circumstances.The mul tiprocessing DSP sys -tem which employed proper terminations has been proved stably and reliably.

Keywords Di gital circuit Signal reflection Circuit design

1 信号反射的产生及其影响

在PCB 板上,信号传输的等效模型如图1所示[1],信号的反射可以利用电磁波传输理论来理解,当驱动器驱动信号由低电平向高电平转换时,在信号的上升阶段发出入射波,入射波沿传输线传向负载Z L ,如果Z L 等于传输线特征阻抗Z 0,则入射波被完全吸收,没有信号反射发生,如果

Z L 不等于Z 0,即有阻抗失配,则产生反射波沿传输线传回发射端,反射波的大小与阻抗的误配程度有关,通常用反射系数来描述,负载端的反射系数K L 定义为反射电压与入射电压之比,即K L =(Z L -Z 0)/(Z L +Z 0),由于Z L 是输入电路的输入阻抗,常远远大于Z 0,所以反射系数K L 约为1,即反射波等于入射波,发生全反射,这时负载端的电压为入射波电压的2倍,形成过冲。同理,反射波到达源端后再次形成反射,其反射系数K S =(R S -Z 0)/(R S +Z 0),R S 为驱动电路的输出阻抗,一般小于传输线特征阻抗Z 0,则信号再一次反

射,传向接收端,以此类推。由于实际的传输线有电阻,信号会逐渐衰减,通常只需考虑3次来回反射。当信号从接收端反射回来时,如果发射信号仍处于信号的上升阶段,则反射波被/吸收0,即看不出明显影响,若发射信号已处于稳态,则反射波会叠加在稳态信号上,形成振荡,从经验上讲,当传输线延迟时间大于1/6信号的上升时间时,会有明显的振荡发生。由于过大的振荡电压会损害输入电路,因而必须抑制反射;另一方面,反射波形成的振荡加长了信号的稳定时间,在高速电路设计中,这个时间是必须考虑的。如常用的计算机局域总线(Peripheral Component Interconnect,PCI)规定信号的建立时间要小于10ns,这就对信号线的长度、布局和端接等提出了具体要求。

2 不同拓扑结构对信号的影响

211 总线结构

总线结构是指驱动器和负载顺序连接在信号线上,有时也称菊花链结构,这是一种最常见的连接方式,特别是多驱动和多负载的情况,如摩托罗拉公司定义的计算机标准总线(Versa Module Eurocard,VME),它的背板总线就采用这种结构,通常的要求是信号线的分支应尽可能短。现建立如下仿真条件:采用ADSP-21060为驱动源,另有3个ADSP-21060

为负载,采用508特征阻抗的微带传输线,两两之间相距10英寸,仿真结果如图2所示。图中波形1是离驱动源近的信号,波形2是离驱动源远的信号,可见,离驱动源越近受到的反射干扰越严重,而远端的信号除了有一个相对较大的传输线延迟外,波形形状最好,有单调的上升和下降沿,其原因是近端信号是多点反射的综合结果,而远端受到的反射干扰较小,这一点应特别注意。212 星形结构

星形结构是指负载分布在驱动源的周围,直接和驱动源相连,现建仿真条件如下:3个ADSP-21060为负载,各通过长10英寸、特征阻抗为508的微带线与ADSP-21060驱动源直接相连,其仿真波形如图3所示(3个负载的波形相同),与图2相比,它是曲线1和曲线2的折衷,有较好的波形和较小的延迟。采用这种结构,从驱动源看传输线的阻抗降低到原阻抗的1/3,与ADSP-21060的输出阻抗接近,效果

相当于串行端接。

图2 总线拓扑结构仿真结果 图3 星形拓扑结构仿真结果

结果分析:¹不同的拓扑结构对信号波形有很大的影响,合理的结构往往能够取得较好的效果;º信号的波形与连线的总长度有关,连线越长,离驱动点近的波形越差。因此在设计高速电路时应采用缓冲器件把高速部分和低速部分分开,把近端和远端分开;»由于实际的输入电路有保护二极管,它旁路了过冲电流,因而反射影响较小,当电路中没有接具体器件时,这时反射形成的过冲很大,在系统调试时应注意这个问题;¼信号反射与驱动器的驱动能力有关,低输出电阻,高输出电流的驱动器引起的信号反射相对严重。

3 信号的端接

端接的目的是减少信号的反射,通常有并行端接、戴维宁端接、AC 端接、串行端接和二级管端接,它们都能有效地减少信号反射,但同时也引入了其它问题,如能量消耗大、噪声抑制下降和增加了延迟等,因此,在进行信号端接时一定要分析它们的影响,只有采用恰当的端接技术才能改善信号的质量。311 并行端接

并行端接是最简单的端接技术,通过在负载端接一电阻到地或到电源,其阻值等于特征阻抗来实现。当驱动信号为高占空比信号时,端接到电源端有利于减少能量消耗。这种

端接的缺点是要求驱动器有很大的驱动能力来维持要求的电平,因而较少被采用,另一个缺点是这种端接会改变信号的边沿,从而改变信号的占空比。312 戴维宁端接

戴维宁端接是并行端接的改进,在负载端采用两个电阻,一个接电源和另一个接地来实现,要求它们的并联阻值等于信号线的特征阻抗来减少反射,接电源端的电阻有利于驱动器上拉到高电平,接地的电阻有利于驱动器下拉到低电平,恰当地选择电阻值能够增强驱动器的扇出能力,这种端接有较好的过冲抑制能力。它的缺点是有大的直流消耗在端接电阻上,还有一个容易被遗漏的缺点,即在没有信号驱动(三态)的情况下,戴维宁端接的电压选择在输入电路的阈值电压,这个电压会使NMOS 和PMOS 导通,在CMOS 逻辑电路里会引起很大的能量消耗,使芯片过热。戴维宁端接比较适合TTL 电路,特别是FAC T 电路和驱动能力不足的情况,如很重负载的VME 背板总线结构。313 AC 端接

AC 端接是指在负载端接一电阻和电容,电阻的阻值等于传输线特征阻抗,用于减少反射,电容用于减少直流消耗,通常要求RC 时间常数应大于信号线传输延迟的2倍,根据这条规律来取电容值。AC 端接的缺点是增加了信号的延迟时间,不适合超高速电路应用。314 串行端接

串行端接是指在源端串接一电阻,其阻值加上驱动器的输出电阻值应等于传输线的特征阻抗,它通过源端匹配来减少信号的反射。这种端接的优点是使用方便,能量消耗小,而且对于串扰有很好的抑制能力,广泛应用于C MOS 、FAC T 和EC L 电路,特别适合点对点的单向或双向驱动情况。这种端接方法的缺点是多数驱动器的输出阻抗是非线性的,并随信号的逻辑状态而变化,如通常的CMOS 电路的高电平的输出电阻要大于低电平的输出电阻,因而较难和特征阻抗匹配。另一个缺点是在信号线上有半波幅度信号出现,因而不适合单点对多点的分布负载端接。315 二级管端接

二极管端接是在信号线上分别对地和对电源接箝位二极管来实现的,它能有效减少过冲,为能充分发挥作用,要求二极管的导通时间要小于1/4的信号上升时间,同时还应具有短的恢复时间。这种端接的优点是不要求阻抗匹配,能量消耗很小,可放置在信号线的任意位置,这种端接特别适合信号连接复杂的情况,如具有三态的背板总线结构。它的缺点是对二极管性能要求严格,不满足要求的二极管往往产生更糟的结果。

4 端接的应用和仿真结果

信号的反射是与驱动器的输出特性、接收器的输入特性、传输线的特征阻抗、负载情况和连接的拓扑结构密切相

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