过冲及振铃现象实验分析

过冲及振铃实验现象分析

1.测试电路及过冲、振铃现象

测试电路如下图所示，A点为电压输出口，B点为为了接入电阻而切开的口，C点为同轴电压监测点。

B

A C

在B点出用导线连接时，在C点引同轴线到示波器（示波器内阻1M），观察到上升沿有过冲及振铃现象，如下图所示。

1.2 振铃产生的原因分析

1.2.1 振铃现象的产生

那么信号振铃是怎么产生的呢?

前面讲过，如果信号传输过程中感受到阻抗的变化，就会发生信号的反射。这个信号可能是驱动端发出的信号，也可能是远端反射回来的反射信号。根据反射系数的公式，当信号感受到阻抗变小，就会发生负反射，反射的负电压会使信号产生下冲。信号在驱动端和远端负载之间多次反射，其结果就是信号振铃。大多数芯片的输出阻抗都很低，如果输出阻抗小于PCB走线的特性阻抗，那么在没有源端端接的情况下，必然产生信号振铃。

信号振铃的过程可以用反弹图来直观的解释。假设驱动端的输出阻抗是10欧姆，PCB走线的特性阻抗为50欧姆(可以通过改变PCB走线宽度，PCB走线和内层参考平面间介质厚度来调整)，为了分析方便，假设远端开路，即远端阻抗无穷大。驱动端传输3.3V电压信号。我们跟着信号在这条传输线中跑一次，看看到底发生了什么?为分析方便，忽略传输线寄生电容和寄生电感的影响，只考虑阻性负载。下图为反射示意图。

第1次反射：信号从芯片内部发出，经过10欧姆输出阻抗和50欧姆PCB 特性阻抗的分压，实际加到PCB走线上的信号为A点电压3.3*50/(10+50)=2.75V。传输到远端B点，由于B点开路，阻抗无穷大，反射系数为1，即信号全部反射，反射信号也是2.75V。此时B点测量电压是2.75+2.75=5.5V。

第2次反射：2.75V反射电压回到A点，阻抗由50欧姆变为10欧姆，发生负反射，A点反射电压为-1.83V，该电压到达B点，再次发生反射，反射电压-1.83V。此时B点测量电压为5.5-1.83-1.83=1.84V。

第3次反射：从B点反射回的-1.83V电压到达A点，再次发生负反射，反射电压为1.22V。该电压到达B点再次发生正反射，反射电压1.22V。此时B 点测量电压为1.84+1.22+1.22=4.28V。

第4次反射：……第5次反射：……

如此循环，反射电压在A点和B点之间来回反弹，而引起B点电压不稳定。观察B点电压：5.5V->1.84V->4.28V->……，可见B点电压会有上下波动，这就是信号振铃。下图为B点电压随反射次数的变化示意图。

1.2.2 振铃现象的研究

设源端电阻为Rs ，远端电阻为无穷大，传输线特性阻抗为50欧姆。当50Rs <Ω时，变化曲线如上图所示。当50Rs =Ω时，变化曲线如下图所示

当50Rs >Ω时，得到的变化曲线如下图所示

分析以上三图，得到如下结论

➢ 当源端电阻大于等于传输线特性阻抗时，不会发生过冲及振铃现象；

➢ 当源端电阻远远大于传输线特性阻抗时，虽不会发生振铃现象，但上升

时间增大；

➢ 以上三种状态的输出电压最终稳定在3.3V ，与集总参数电路分析结果一

一致；

➢理论上当源端电阻为50欧时，脉冲进入稳定的时间最短。

1.3 实验现象

1.3.1 振铃现象原因的证据一

当B点连接导线时，用同轴线连接C至1M内阻的示波器，观察到如上图所示现象，绿线为C点输出的电压波形，黄线为直接用示波器探头测量A点的电压波形。可见C点至示波器的同轴线在示波器输入端出发生了反射，并且影响了A点的电压波形。将同轴线从C点断开，观察到现象如下图所示

由于没有同轴线在示波器处的反射，A点的波形质量也变好，上升平稳。

1.3.2 振铃现象原因证据二

当B点连接0欧姆电阻时，观察到如下现象

（a）沿的情况

（b）上升沿情况当B点连接5欧电阻时，观察到如下现象

（a）沿的情况

（b）上升沿情况当B点连接20欧电阻时，观察到如下现象

（a）沿的情况

（b）上升沿情况当B点连接1k的电阻时，观察的现象如下

（a）沿的情况

（b）上升沿情况

由以上实验现象可以总结：当源端电阻小于传输线特性阻抗时，会发生振零现象；当源端电阻远大于特性阻抗时，不会发生振铃现象，但上升沿时间大大增长。

1.4 振铃现象的解决方案

这是高速电路中的一个信号完整性问题，主要解决好不匹配即可。其中的一种方法为：

（a）串行端接是通过在尽量靠近源端的位置串联一个电阻RS ( 典型10Ω～75Ω) 来实现的。此类端接法要求缓冲器阻抗和端接电阻值的总和等于传输线的特征阻抗。这种策略通过使源端反射系数为零从而抑制信号的反射。

（b）减小传输线距离，缩短不稳定时间。实验中，在C点接长线观察到如下a图所示的波形，接短线观察到如图b所示波形

a.接长线观察到的波形

b.接短线观察到的波形