信号完整性反射117页PPT
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信号完整性:信号反射信号沿传输线向前传播时,每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗,这个阻抗可能是传输线本身的,也可能是中途或末端其他元件的。
对于信号来说,它不会区分到底是什么,信号所感受到的只有阻抗。
如果信号感受到的阻抗是恒定的,那么他就会正常向前传播,只要感受到的阻抗发生变化,不论是什么引起的(可能是中途遇到的电阻,电容,电感,过孔,PCB 转角,接插件),信号都会发生反射。
那么有多少被反射回传输线的起点?衡量信号反射量的重要指标是反射系数,表示反射 电压和原传输信号电压的比值。
反射系数定义为:ρ= 1212Z Z Z Z +-。
其中:Z 1为变化前的阻 抗,Z 2为变化后的阻抗。
假设PCB 线条的特性阻抗为50欧姆,传输过程中遇到一个100欧姆的贴片电阻,暂时不考虑寄生电容电感的影响,把电阻看成理想的纯电阻,那么反射系 数为:ρ=3150********=+-,信号有1/3被反射回源端。
如果传输信号的电压是3.3V 电压,反射电压就是1.1V 。
纯电阻性负载的反射是研究反射现象的基础,阻性负载的变化无非是以下四种情况:阻抗增加有限值、减小有限值、开路(阻抗变为无穷大)、短路(阻抗突然变为0)。
阻抗增加有限值:反射电压上面的例子已经计算过了。
这时,信号反射点处就会有两个电压成分,一部分是从源端传来的3.3V 电压,另一部分是在反射电压1.1V ,那么反射点处的电压为二者之和,即4.4V 。
阻抗减小有限值:仍按上面的例子,PCB 线条的特性阻抗为50欧姆,如果遇到的电阻是30欧姆,则反射 系数为 ρ=50305030+-=-0.25,反射电压为 3.3*(-0.25)V= -0.825V 。
此时反射点电压为3.3V+(-0.825V )=2.475V 。
开路:开路相当于阻抗无穷大,反射系数按公式计算为1。
即反射电压3.3V 。
反射点处电压为6.6V 。
可见,在这种极端情况下,反射点处电压翻倍了。
短路:短路时阻抗为0,电压一定为0。
信号完整性基础信号完整性问题过冲(overshoot/undershoot)振铃(ringing/ring back)非单调性(non-monotonic)码间串扰(ISI)同步开关噪声(SSN)噪声余量(noise margin)串扰(crosstalk)信号完整性(Signal Integrity)主要包括以下几方面问题:1.过冲(Overshoot/Undershoot)一般IC对于过冲的高度和宽度的容忍度都有指标。
因为过冲会使IC内部的ESD防护二极管导通,通常电流有100mA左右。
信号长期的过冲会使IC器件降质,并是电源噪声和EMI的来源之一。
2. 振铃(Ringing/Ring Back)振铃会使信号的threshold域值模糊,而且容易引起EMI。
3.非单调性(Non-monotonic)电平上升过程中的平台会产生非单调性,这有可能对电路有危害,特别是针对异步信号如:Reset、Clock等会有影响。
4. 码间串扰(ISI)主要是针对高速串行信号。
其产生的本质是前一个波形还没有进入稳态,另外也有可能是传输线对不同频率衰减不同所造成的。
一般通过眼图来观察,方法是输入一伪随机码,观察输出眼图。
5. 同步开关噪声(SSN)同步开关噪声会使单根静止的信号线上出现毛刺?V,另外还会影响输入电平的判断。
SSN的另一种现象是SSO(同步开关输出),这会使得传输线的特性如阻抗、延时等特性发生改变。
6. 噪声裕量(Noise Margin)控制噪声余量的目的是防止外界干扰,用于克服仿真没有分析到的一些次要因素。
一般对于TTL信号应留有200~300mV的余量。
7. 串扰(Crosstalk)串扰主要有线间串扰、回路串扰、通过平面串扰(常见于数模混合电路)三种形式。
通常示波器所观察到的数字信号。
图中为各相关的信号完整性参数:•Overshoot、Undershoot指信号的过冲。
•Ringback 指信号的振铃。
信号完整性基础之反射反射是引起SI的一个最基本因素,信号在传输线传播过程中,一旦它所感受到的传输线瞬时阻抗发生变化,那么就必将有发射发生。
反射是由于传输线瞬时阻抗变化而引起的下面就从理论角度来分析一下反射的机理、反射系数和传输系数的计算配个简易图来加以说明图中褐色的为电路板上的大面积铺铜层(GND或者PWR),它是信号的返回路径。
绿色和红色是传输线,S1比较宽,S2较窄,很明显在S1和S2的交接处出现了阻抗不连续,根据阻抗计算公式应该是Rs1<Rs2。
那么信号传输到这里的时候,从反射的定义来看应该是发生了反射。
那么究竟有多少信号被反射了呢?又有多少信号通过了界面进入S2了呢?这里就涉及到了反射的计算,即反射系数的计算和传输系数的计算在交界面,虽然阻抗发生了变化,但是电压和电流一定都是连续的这个结论一定要能理解,电压和电流不可能出现一个断裂即在交界面的左边一点和右边一点,他们的电压和电流都是相等的这里的一点点就像微积分中的那么一小点在分界面的左边一点点S1中有:Rs1=V1/I1 (1)在分界面的右边一点点S2中有:Rs2=V2/I2 (2)其中的V1、V2分别为分界面两侧的电压,I1和I2为分界面两侧的电压由上面的电压和电流连续性得知:V1=V2,I1=I2 (3)分析上面的三组方程,如果没有反射,他们是不可能同时成立的因为Rs1和Rs2是不相等的所以可以判定在分界面必定存在反射回源端的信号反射电压设为Vf,反射电流为If进入S2的电压为Vt,电流为It(称他们为传输电压和传输电流)信号电压为Vi,电流为Ii(称之为输入电压,从分界面看)电压关系有:Vi+Vf=Vt电流关系有:Ii-If=It这又是很关键的两个关系式因为Vi/Ii=Rs1Vf/If=Rs1Vt/It=Rs2把这三个关系式代入到上面的两个电压和电流关系方程中可以得到Vi/Rs1-Vf/Rs1=Vt/Rs2=(Vi+Vf)/Rs2(Vi-Vf)/Rs1=(Vi+Vf)/Rs2反射系数X定义为反射电压和输入电压的比值,即Vf/Vi可求的X=(Rs2-Rs1)/(Rs1+Rs2)传输系数Y定义为传输电压和输入电压的比值,即Vt/Vi经过X式小变形即可求得可求的Y=2Rs2/(Rs1+Rs2)反射是经常遇到的SI问题,我们只能无限地缩小它,却不能完全消除它,在波形能够接受的情况下尽量做到最大限度的抑制反射,这就是我们要做的工作。