传输线匹配与反射
- 格式：ppt
- 大小：2.70 MB
- 文档页数：97
下载文档原格式
合集下载
高速电路传输线反射问题的分析与解决
武汉理工大学班级：___电子与通信工程153班_____ 姓名：_________ ___________ 学号：________1049731503239_______ 教师：____ ____________高速电路传输线反射问题分析与解决（武汉理工大学信息工程学院，武汉，430070）摘要：高速数字信号的传输线反射问题是影响现代数字电路设计的重要原因因素之一，严重的反射将破坏信号的完整性，并引起过冲现象，从而出现错误的数字逻辑和影响电路上元器件的正常使用。
本文重点的分析高速电路中信号反射产生的原因，和给出解决反射问题的方案。
关键词：传输线；反射；解决方案Abstract: Reflection high-speed digital signal is an important factor affecting the modern digital circuit design, serious reflection would undermine the integrity of the signal, and cause overshoot phenomenon, which appears erroneous digital logic and destruction devices. This paper analyzes in detail the causes of signal reflections and phenomena, and give a reflection solution.Keyword: Transmission line；reflection； solution1.引言反射就是在传输线上的回波，如果传输线的长度满足长线时，且没有合适的终端匹配，那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端被反射，从而引起非预期效应，使信号轮廓失真。
反射是传输线的基本效应，即当信号沿着传输线传输时，碰到阻抗不连续时会发生反射。
第五章 传输线与反射
当区域2的阻抗小于区域1的阻抗时，反射系数为负， 反射电压也是负电压。该负电压行波将返回源端。这 时电阻（负载）两端的电压总是小于入射电压。
1V入射信号，终端电压值。为入射波与反射波之和。16
第五章 传输线与反射
5.3 电阻性负载的反射
那么采用源端匹配还是终端匹配？
• 常说采用源端匹配较好，为什么？假设源端不匹 配（如传输线特性阻抗为50W ，源内阻为10W）， 而终端匹配（终端负载为50W）。此时，因为传输 线上电压分压的关系，终端实际电压反而不到1V （50/60×1V=0.83V）。另外，终端常常给定的， 或者是要求高阻负载，不易匹配。 • 相 反 ， 对 于 1V 的 信 号 源 ， 当 源 端 单 端 匹 配 （50W），而终端开路时，传输线分压所得的0.5V， 在终端叠加成1V。当反射波返回源端时即被吸收， 不再形成振铃。因此，终端波形为1V的阶跃函数。
利用网格图仿真传输线远端的电压。用SPICE仿真得到。
23
第五章 传输线与反射
5.5 反弹图
图中有两个重要的特性：
第一，远端的电压最终逼近源电压1V，因为该 电路是开路的。所以，这是一个必然的结果， 即源电压最终是加在开路上。
第二，开路处的实际电压有时大于源电压。源 电压仅1V，然而远端测得的最大电压是1.68V。
入射信号穿越分界面时，产 生了反射电压和电流，从而 使分界面两侧的电压和电流 回路相匹配。
8
第五章 传输线与反射
5.2 反射形成机理
• 入 射 信 号 Vinc 向 着 分 界 面 传 播 ， 而 传 输 信 号 Vtrans向远离分界面的方向传播。分界面两侧电 压相同的条件：
Vinc Vrefl Vtrans
驱动器分别连接电阻10kW和10W时的输出电压。由这两个电压 19 计算驱动器内阻。
1V入射信号，终端电压值。为入射波与反射波之和。16
第五章 传输线与反射
5.3 电阻性负载的反射
那么采用源端匹配还是终端匹配？
• 常说采用源端匹配较好，为什么？假设源端不匹 配（如传输线特性阻抗为50W ，源内阻为10W）， 而终端匹配（终端负载为50W）。此时，因为传输 线上电压分压的关系，终端实际电压反而不到1V （50/60×1V=0.83V）。另外，终端常常给定的， 或者是要求高阻负载，不易匹配。 • 相 反 ， 对 于 1V 的 信 号 源 ， 当 源 端 单 端 匹 配 （50W），而终端开路时，传输线分压所得的0.5V， 在终端叠加成1V。当反射波返回源端时即被吸收， 不再形成振铃。因此，终端波形为1V的阶跃函数。
利用网格图仿真传输线远端的电压。用SPICE仿真得到。
23
第五章 传输线与反射
5.5 反弹图
图中有两个重要的特性：
第一，远端的电压最终逼近源电压1V，因为该 电路是开路的。所以，这是一个必然的结果， 即源电压最终是加在开路上。
第二，开路处的实际电压有时大于源电压。源 电压仅1V，然而远端测得的最大电压是1.68V。
入射信号穿越分界面时，产 生了反射电压和电流，从而 使分界面两侧的电压和电流 回路相匹配。
8
第五章 传输线与反射
5.2 反射形成机理
• 入 射 信 号 Vinc 向 着 分 界 面 传 播 ， 而 传 输 信 号 Vtrans向远离分界面的方向传播。分界面两侧电 压相同的条件：
Vinc Vrefl Vtrans
驱动器分别连接电阻10kW和10W时的输出电压。由这两个电压 19 计算驱动器内阻。
传输线的输入阻抗反射系数与工作状态
Z(z')Z0
1lej2z' 1lej2z'
(2-32)
三、传输线的驻波状态
jxl
z为 正
I
UU I
0
图 2-7
jxl
z为 负
U
I
0
三、传输线的驻波状态
再考虑 l e的jl 一般情况
1ej(2z'l) Z(z')Z01ej(2z'l)
相位因子又重新整理成
于是比较可知
2z'g
4
4gl
z"
z'
3. 反射系数与阻抗的关系
(2-21)
任意 z'情况
Z(z')Z011((zz'')) (z')Z(z')Z0
Z(z')Z0
任意 z'情况
Zl Z011ll
l ZZll
Z0 Z0
二、传输线的行波状态
如果负载 Zl 或Z0 无限长传输线，这时
l
Zl Zl
Z0 Z0
0
无反射波，我们称之为行波状态或匹配
负并非绝对，严格地说，应该是min | | 的正z 负性。
三、传输线的驻波状态
z
0
UI
IU
z
Ei Si
Hi
z
0
Er
Sr
Z
Hr
z
0 ,=
z
0
0
图 2-6
三、传输线的驻波状态
［附注］对于等效长度问题，我们也可以 采用反射系数相位 l来加以研究
1ej2z' Z(z')Z01ej2z' 以短路状态为标准
阻抗匹配反射系数
阻抗匹配反射系数一、反射系数的基本概念反射系数是电气工程中一个重要的概念，它描述了电磁波在传输过程中遇到阻抗不匹配时，反射回源端的电磁波占总输入功率的比例。
反射系数γ定义为反射回源端的功率与输入功率之比，即：γ= Pr / Pin。
其中，Pr为反射回源端的功率，Pin为输入功率。
二、阻抗匹配的重要性阻抗匹配是指在传输线路上，负载阻抗与传输线阻抗相等，使得能量能够最大限度地传输到负载。
在实际应用中，阻抗匹配有以下优点：1.减少反射：当传输线与负载阻抗相等时，反射系数γ=0，这意味着几乎没有能量被反射回源端，从而降低了信号衰减和失真。
2.提高传输效率：阻抗匹配时，能量传输到负载的效率更高，从而提高了整个系统的性能。
3.降低噪声：阻抗匹配可以减少反射，从而降低噪声，提高信号质量。
三、阻抗匹配反射系数的计算方法阻抗匹配反射系数γ的计算公式为：γ= (ZL - Z0) / (ZL + Z0)。
其中，ZL 为负载阻抗，Z0为传输线阻抗。
当γ=0时，表示阻抗完全匹配。
四、实际应用中的阻抗匹配技巧1.使用匹配器：匹配器是一种用于实现阻抗匹配的器件，如定向耦合器、变压器等。
通过合理设计匹配器的结构，可以实现阻抗匹配，降低反射系数。
2.调整传输线长度：在一定条件下，通过改变传输线的长度，可以实现阻抗匹配。
例如，在微波通信系统中，通过调整馈线的长度，可以使发射端的阻抗与馈线阻抗相等。
3.采用多级匹配：在复杂的系统中，可以采用多级匹配的方式实现阻抗匹配。
例如，在无线通信系统中，通过使用多级匹配网络，可以实现天线与馈线之间的阻抗匹配。
五、提高阻抗匹配反射系数的策略1.优化匹配网络设计：通过仿真和实验，不断调整匹配网络的参数，以实现更高的阻抗匹配效果。
2.选择合适的传输线材料：选用具有较高介电常数的材料，可以降低传输线的损耗，提高阻抗匹配效果。
3.采用宽带匹配技术：通过采用宽带匹配技术，如频率补偿、相位补偿等，可以实现宽频带的阻抗匹配。
阻抗匹配反射系数
阻抗匹配反射系数一、引言在电子通信、电力系统等领域，阻抗匹配与反射系数的研究一直是热门话题。
阻抗匹配技术旨在使传输线上的能量损耗最小，从而提高系统的效率。
本文将详细介绍阻抗匹配的概念、原理，以及反射系数的计算与分析，并结合实际应用案例进行探讨。
二、阻抗匹配的概念与原理1.阻抗的定义阻抗是表示电路中对交流信号阻碍程度的物理量，它包括电阻和电感两部分。
在复数形式下，阻抗表示为Z=R+jX，其中R为电阻，X为电感。
2.阻抗匹配的含义阻抗匹配指的是传输线上的电压与电流的比值等于负载阻抗与传输线特性阻抗的比值，即实现电压匹配和电流匹配。
在实际应用中，阻抗匹配可以减少能量损耗，提高系统的工作效率。
3.阻抗匹配的原理根据欧姆定律，电压、电流和阻抗之间的关系为V=IZ。
当传输线上的电压V与电流I满足一定的比例关系时，即可实现阻抗匹配。
这个比例关系可以通过调整负载阻抗或传输线特性阻抗来实现。
三、反射系数的计算与分析1.反射系数的定义与计算公式反射系数γ表示入射波与反射波之间的比例关系，其计算公式为γ=V反射/V入射。
在阻抗匹配的情况下，反射系数接近于0，表示入射波几乎无反射。
2.不同阻抗下的反射系数当负载阻抗与传输线特性阻抗相等时，即ZL=Z0，反射系数γ=0。
当负载阻抗大于传输线特性阻抗时，即ZL>Z0，反射系数γ为负，表示入射波被反射。
当负载阻抗小于传输线特性阻抗时，即ZL<Z0，反射系数γ为正，表示入射波与反射波叠加，增加了传输线的有效阻抗。
3.反射系数与阻抗匹配的关系反射系数γ与阻抗匹配程度密切相关。
当反射系数接近于0时，阻抗匹配程度高，能量损耗小；当反射系数较大时，阻抗匹配程度低，能量损耗大。
四、阻抗匹配在实际应用中的案例分析1.通信系统中的阻抗匹配在通信系统中，信号传输线与负载之间的阻抗匹配至关重要。
通过合理设计传输线和负载的阻抗，可以降低信号反射，提高信号传输效率。
2.电力系统中的阻抗匹配在电力系统中，输电线路的阻抗匹配技术可以减少线路损耗，提高输电能力。
驻波比和反射系数
驻波比（Standing Wave Ratio，SWR）和反射系数（Reflection Coefficient）是在射频领域常用的两个指标，用于描述一条传输线或天线系统的匹配性能。
以下是这两个指标的具体含义：
1.驻波比(SWR)：用于衡量传输线或天线系统中信号的反射程度的无量纲值。
它是由信号
的最大幅度（幅值）和最小幅度的比值得出的。
驻波比表征了信号在传输线内部反射和逆向传播导致的能量损失情况。
当传输线上没有反射时，也就是驻波为0，这时驻波比为1。
当传输线上电磁波完全被反射，这时入射的波（行波）等于反射的波（驻波），驻波比为无穷大。
2.反射系数（Reflection Coefficient）：反射系数是表征行波和驻波之间关系的另外一个物
理表示量。
反射系数定义为反射的波（驻波）与入射的波（行波）的比。
反射系数越大，驻波比也越大，二者是同比例关系。
从物理意义角度讲，反射系数是从能量得失的角度出发来阐释自己的，从反射系数可直观得到能量向前传递的情况。
总结来说，驻波比和反射系数都是描述传输线或天线系统性能的重要参数，它们之间存在密切的关联。
04传输线的工作状态全解
B Y0tg l
或
C Y0 tg l
• 电感负载:
等同于一段小于λ/4的短路线,即
X Z0tg l
或 L
Z0 tg l
开路和短路传输线的应用
谐振腔
• nλ/2的短路线—串联谐振 • nλ/2的开路线—并联谐振 • （2n-1）λ/2的短路线—并联谐振 • （2n-1）λ/2的开路线—串联谐振
输入阻抗
Z in ( l ) Z 0
反射系数 驻波比
Z L jZ 0 tg l Z 0 jZ L tg l
0 1
1 SWR
V ( z ) V0 e j z V0 e j z I (z) 1 V0 e j z eV0 e j z Z0
表示成行波与驻波叠加的形式：
V ( z ) V0 1 L e j z j 2V0 L sin z 1 I (z) V0 1 L e j z j 2V0 L sin z Z0
开路和短路传输线的应用
分布参数电感和电容
• 0<l<λ/4的短路线—电感； • 0<l<λ/4的开路线—电容 • λ/4<l<λ/2的短路线—电容 • λ/4<l<λ/2的开路线—电感
3、行驻波（部分反射）状态
行驻波状态的定义
负载部分吸收入射波功率，部分反射入射波功率，传输
线上的波部分为行波，部分为驻波，传输线的这种状态 称为行驻波状态，又称为部分反射状态。 电压和电流
??????????????????0012sin112sinjzlljzvzvejvzizvejvz????????????????????????????????????电压与电流振幅????????????00012sinllizvejvzz?????????22000022000002cos212cos2llvlvvvvlilvvvvlz??????????????????????????????????????电压和电流振幅随参考面到负载的距离ll呈周期变化电压电流的相邻最大最小振幅距离相差2最大与相邻的最小振幅的距离相差4
信号反射及阻抗匹配
信号完整性分析---信号反射及阻抗匹配信号反射产生的原因，当信号从阻抗为Z0 进入阻抗为ZL 的线路时，由于阻抗不匹配的原因，有部分信号会被反射回来，也可以用“传输线上的回波来概括”。
如果源端、负载端和传输线具有相同的阻抗，反射就不会发生了。
反射的影响:如果负载阻抗小于传输线阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于传输线阻抗，反射电压为正。
实际问题中，PCB上传输线不规则的几何形状，不正确的信号匹配，经过连接器的传输及电源平面不连续等因素均会导致反射情况发生，而表现出诸如过冲/下冲以及振荡等信号失真的现象。
过冲，当信号的第一个波峰超过原来设定的最大值，信号的第一个波谷超过原来设定的最大值时，为过冲，也就是冲过头了。
下冲，当信号的第二个波峰波谷超过设定值时，称为下冲。
过大的过冲会导致元件保护二极管损坏，而下冲严重时会产生假时钟，导致系统误读写操作。
如果过冲过大我们可以采用阻抗匹配的方式消除过冲，方法很简单如下所示：效果如下：震荡：信号的反射也会引起信号震荡，而震荡的本质跟过冲/下冲是一样的，在一个周期内，信号反复的过冲下冲我们称之为信号震荡。
震荡是消除电路多余能量的一种方式。
通过震荡的信号，可以将反射而产生的多余能量给消耗掉。
欠阻尼（振铃）是指终端的阻尼小，过阻尼（环绕）是指终端的阻尼大了。
(PS:不只是分布式电路才会产生振荡，集总电路由于LC振荡也会产生振荡，其振荡的大小和电路的品质因素Q有关，Q值代表了电路中信号的衰减速度，Q值越高衰减越慢。
可以通过单位时间电路储存的能量与丢失的能量比值来衡量)Q<1/2的时候就不存在过冲或者振荡。
Q值的计算方法为： L是导线的平均电感，C是接收端的负载电容，Rs 是驱动端的输出电阻。
阻抗匹配，由于源端与负载端的阻抗不匹配才引起信号的反射，因此要进行阻抗匹配，从而降低反射系数，可以在源端串接阻抗，或者负载端并行接阻抗。
反射系数公式：P=(Z1-Z0)/(Z1+Z0)阻抗匹配端接技术汇总单电阻端接经总结：串联电阻匹配一般适用于单个负载的情况。
传输线反射：反射图
环测威官网：/他的文章解释了传输线电路的弹跳图的创建（见[1]传输线反射）。
考虑图1所示的电路。
图1：用于创建弹跳图的电路当开关闭合时，正向电压波向负载传播并在t = T时达到它（T =单向传播时间）。
由于线路和负载不匹配，所以产生反射并返回到源，在t = 2T时达到它（假设零上升时间）。
由于线和源不匹配，因此产生另一个反射，其向前行进到在t = 3T时到达负载的负载。
理论上这个过程无限期地持续下去; 实际上，它一直持续到源和负载达到稳态电压。
甲弹跳图是在源处或每个反射后的负载（或其他地点）上的电压（或电流）的曲线图。
反射测量的实验装置如图2所示。
环测威官网：/图2：实验设置z = 0处的初始电压为如图3所示。
环测威官网：/图3：z = 0时的初始电压波负载的反射系数是6V的初始电压波传播到负载并在t = T时达到它，产生反射V - = Γ大号V + =（0.4845）（6）= 2.907 V负载（t = T）时的总电压为V 大号 = V + + V - = 6 + 2.907 = 8.907 V如图4所示。
环测威官网：/图4：t = T时负载的电压环测威官网：/图5：t = 2T时源电压在源极反射的电压（V - + = -0.5814 V）向负载传播，在那里它将产生另一个反射，该反射将向光源传播。
此过程将持续到达到稳定状态。
显示每次反射后源和负载电压的弹跳图如图6所示。
环测威官网：/图6：反弹图：源和负载的电压图7示出了在源极（电压Z = 0），而图8示出在负载（电压Ž= L期间0）≤吨 < 8 Ť。
图7：0≤t<8T时源电压环测威官网：/图8：0≤t<8T时负载电压很明显，源和负载电压最终会达到稳定状态。
回想一下，传输线可以建模为一系列串联电感和并联电容（假设无损线）[2]，如图9所示。
图9：无损传输线的电路模型环测威官网：/在直流条件下（由直流电源驱动时的稳态），电感充当短路，电容充当开路。
如何解决电路中的反射问题
如何解决电路中的反射问题在电路设计中，反射是一个常见但令人头疼的问题。
它会导致电路性能下降，甚至损坏设备。
为了解决电路中的反射问题，我们可以采取以下措施：1. 了解反射问题的原因反射问题主要是由信号在电路中发生的不完全匹配引起的。
当信号从一个传输介质（如电缆）传播到另一种传输介质（如电路板）时，由于阻抗不匹配，信号会反射回原来的介质。
这种反射会导致信号波形失真、干扰和信号功率损失。
2. 使用合适的阻抗匹配技术为了减少反射问题，我们可以使用阻抗匹配技术。
在设计电路时，应确保传输线和驱动器/接收器之间的阻抗匹配。
这可以通过选择合适的传输线特性阻抗以及正确匹配驱动器和接收器的阻抗来实现。
3. 使用终端阻抗终端阻抗是电路中的一个重要参数，它可以消除信号的反射。
终端阻抗应该与传输线的特性阻抗相匹配，这样可以最大程度地抑制反射。
4. 使用终端电阻终端电阻是另一个有效的方法，可以减少反射问题。
通过在传输线末端添加一个与线路特性阻抗相匹配的电阻，可以吸收反射信号。
5. 使用衰减器衰减器是一种有源电路元件，可以减少信号的功率并降低反射。
衰减器可以在电路中插入，以减小反射并平衡信号的幅度。
6. 使用终端串联电容终端串联电容是一种常见的电路设计技巧，也可以用于解决反射问题。
通过在传输线的末端串联一个适当的电容，可以阻止高频信号的反射并改善信号传输。
7. 优化布局和接地设计良好的布局和接地设计也可以帮助解决反射问题。
确保信号路径短、布线规整，并避免尖锐的转弯或多余的分支。
此外，良好的接地设计可以减少信号的干扰和反射。
总结：电路中的反射问题是一个常见但需要重视的问题。
为了解决这个问题，我们可以利用阻抗匹配技术、终端阻抗、终端电阻、衰减器、终端串联电容以及良好的布局和接地设计。
通过结合这些方法，我们可以有效地降低反射问题，并提高电路的性能和可靠性。
- 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)。
28
5.7 使用TDR测量反射
信号源输出阶跃信号约400mV，经过50W校准电阻。紧靠 该电阻是测试点，高速采样放大器测该点电压值。一根短 同轴电缆，连接到前面板SMA插头上。DUT就插在该SMA 插头上。信号从源端注入DUT，在采样点处探测反射信号。 测试点处有两个电阻，第一个电阻是内部校准电阻，第二 个是TDR内部的传输线。 在测试点，测得的电压为: 400mV×50W/(50W50W)200mV，并在高速采样示波器 中显示出来。信号继续沿内部同轴电缆到达DUT 。
在区域1，分界处总Vi电nc 流V由re入fl 射 V电tra流ns和反射电流决定，它
们传播方向相反。区域1分界面处净电流为Iinc-Irefl。 在区域2中，电流等于Itrans。分别从分界面两侧看进去， 电流相同的条件是：
Iinc I每个区域中的阻抗值为该区域中电压与电流的比值：
11
5.3 电阻性负载的反射
如果区域2是开路，则反射系数为1。此时开路处有两 个方向相反的波相叠加。
12
5.3 电阻性负载的反射
第二种特殊情况是传输线的末端与返回路径相短 路，即末端阻抗为0。反射系数为-1： (0-50)/(0+50)=-1。1V入射信号到达远端时，产 生-1V反射信号向源端传播。 短路突变处测得的电压为入射电压与反射电压之 和，即0V。
当它驱动一个高阻抗时，可以得到源输出电压。如果在输 出端串联一个Rt=10W的小电阻，测量该电阻电压Vt，可 以计算出驱动器内阻Rs。
Rs
Rt VVot
1
Rs表示驱动器内阻； Rt表示输出端连接的终端电阻； Vo表示驱动器的开路输出电压； Vt表示终端电阻两端的电压。
接有终端电阻的输出驱动器简单模型。
第五章 传输线与反射
1
5.0 引言
如果信号沿互连线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化，则一部 分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播，这正是单一 网络中多数信号完整性问题产生的主要原因。 反射和失真使信号质量下降，看起来就像是振铃。引起信号电 平下降的下冲可能会超过噪声容限，造成误触发。下图表示短 传输线末端由瞬态阻抗突变造成的反射噪声。
相反，对于1V的信号源，当源端单端匹配（50W）， 而终端开路时，传输线分压所得的0.5V，在终端叠加 成1V。当反射波返回源端时即被吸收，不再形成振铃。 因此，终端波形为1V的阶跃函数。
17
5.4 求解驱动源内阻抗
当反射波最终到达源端时，将源端的输出阻抗作为瞬态阻 抗。假设器件等效电路模型为理想电压源与内阻串联，如 图所示。
2
5.0 引言
只要信号遇到瞬态阻抗突变，反射就会发生。
反射可能发生在线末端，或者是互连线拓扑结构发生改变
的地方，如拐角、过孔、T型结构、接插件等处。因此设
计互连线的目的就是尽可能保持信号受到的阻抗恒定。
首先要保持互连线的特性阻抗恒定。因此，制造阻抗可控
电路板变得越来越重要。
减小桩线（stub）长度、
18
5.4 求解驱动源内阻抗
下图给出了用CMOS驱动器模型仿真的输出电压。其中， 开路电压为3.3V连接的10W电阻两端电压为1.9V。由上式 可以计算出内阻： 10W×(3.3/1.91)7.3W。
驱动器分别连接电阻10kW和10W时的输出电压。由这两个电压
计算驱动器内阻。
19
5.5 反弹图
进入传输线的实际电压即入射电压，入射电压是由源 电压、内阻和传输线阻抗组成分压器决定的。 如果已知传输线的时延TD、信号所通过各区域的阻抗 和驱动器的初始电压，就可以计算出每个交界面的反 射，也可以预测出任意一点的实时电压。 例如，源电压是1V，内阻是10W，则实际进入时延为 1ns的50W传输线的电压是1V×50/(50+10)=0.84V， 这个0.84V信号就是沿传输线传播的初始入射电压。
26
5.7 使用TDR测量反射
TDR ( Time Domain Reflectometry )时域反射测量
TDR能够发射边沿快速上升的阶跃信号，上升边 沿一般为35ps到150ps，然后测量反射的瞬态幅 度，利用反射电压得到被测器件的阻抗。可以认 为TDR是一个快速阶跃信号发生器和高速采样示 波器。
为了使整个系统协调稳定，区域1中产生了一个反射回源 端的电压。它的唯一目的就是吸收入射信号和传输信号之 间不匹配的电压和电流，如图所示。
入射信号穿越分界面时，产
生了反射电压和电流，从而
使分界面两侧的电压和电流
回路相匹配。
8
5.2 反射形成机理
入射信号Vinc向着分界面传播，而传输信号Vtrans向 远离分界面的方向传播。分界面两侧电压相同的 条件：
利用网格图仿真传输线远端的电压。用SPICE仿真得到。 23
5.5 反弹图
图中有两个重要的特性： 第一，远端的电压最终逼近源电压1V，因为该电 路是开路的。所以，这是一个必然的结果，即源 电压最终是加在开路上。 第二，开路处的实际电压有时大于源电压。源电 压仅1V，然而远端测得的最大电压是1.68V。
使用菊花链代替分支结构、使用真正的点对点拓扑结构等
设计技巧，都是为了保持瞬态阻抗恒定。
其次改进拓扑结构设计并增加分立电阻元件应对阻抗的突
变，从而保证信号受到的瞬态阻抗恒定。
3
5.1 阻抗变化处的反射
只要瞬态阻抗发生了改变，部分信号将沿着与原传播方向 相反的方向反射，而另一部分将继续传播，但幅度有所改 变。将瞬态阻抗发生改变的地方称为阻抗突变，或简称突 变。
13
5.3 电阻性负载的反射
最后一种特殊情况是传输线末端所接阻抗与传输 线的特性阻抗相匹配。如果传输线的末端连接 50W电阻，则反射系数为0，此时不会存在反射电 压，50W电阻两端的电压就仅是入射信号。
14
5.3 电阻性负载的反射
当末端为一般电阻性负载时，信号所受到的瞬态阻抗在0 到无穷大之间，这样，反射系数在-1到+1之间。下图给出 了50W传输线的终端电阻与反射系数之间的关系。
Vinc Iinc Z1 ,
Vrefl Irefl Z1 ,
Vtrans Itrans Z2
代入电流表达式中得： Vinc Z1 Vrefl Z1 Vtrans Z2 Vinc Z1 Vrefl Z1 (Vinc Vrefl ) Z2
即：
Vinc
Z2 Z
Z1 2Z1
Vrefl
Z2 Z
信号从50W的区域1到区域2各种阻抗时的反射系数。
15
5.3 电阻性负载的反射
当区域2的阻抗小于区域1的阻抗时，反射系数为负，反射 电压也是负电压。该负电压行波将返回源端。这时电阻 （负载）两端的电压总是小于入射电压。
1V入射信号，终端电压值。为入射波与反射波之和。 16
5.3 电阻性负载的反射
Z1 2Z1
Vrefl Z2 Z1
Vinc Z2 Z1
这就是反射系数的定义！
10
5.3 电阻性负载的反射
传输线的终端匹配有三种最重要的特殊情况。假设传 输线的特性阻抗是50W。 首先，如果传输线的终端为开路，即末端的瞬态阻抗 是无穷大。这时反射系数为1： (无穷-50)/(无穷+50)=1。 即在开路端将产生与入射波大小相同、方向相反、返 回源端的反射波。 在传输线的末端（开路端的总电压），将是两个波的 叠加。一个是幅度为1V的信号向开路端传播，同时另 一个也是1V信号，但它向相反的方向传播。因此开路 端的电压为2V。见下图。
27
5.7 使用TDR测量反射
下图为TDR内部工作情况的示意图。
TDR内部结构图：一个高速脉冲发生器产生快速上升的 电压脉冲，该脉冲流经精确的50W电阻，该电阻串联一 个很短的50W同轴电缆，最后接到前面板的SMA端上。 待测器件(DUT Device Under Test )则插在该SMA上。然 后用高速采样示波器测得内部总电压并显示。
4
5.1 阻抗变化处的反射
两个区域的阻抗差异越大，反射信号量就越大。
例如，1V信号沿特性阻抗为50W的传输线传播，开始所受到的瞬 态阻抗为50W，当它进入特性阻抗为75W的区域时，反射系数为： (75-50)/(75+50)=0.2，反射电压为1V×0.2=0.2V。 信号沿传输线传播时遇到阻抗突变，在突变处将产生另一个波。 该波将叠加在第1个波上，向源端传播，其幅度等于入射电压的幅 度乘以反射系数。反射系数描述了反射回源端的那部分电压。传 输系数描述了通过交界面进入第二区域的部分入射电压。
边界处不可能出现电压不连续，否则此处会有一个无限大 电场；也不可能出现电流不连续，否则会有一个无限大的 磁场。
7
5.2 反射形成机理
为了维持分界面两侧的电压和电流相等，就需要满足关系 式V1=V2，I1=I2。而I1=V1/Z1，I2=V2/Z2，同时成立，显然， 当两个区域的阻抗不同时，这些关系式绝不可能同时成立。
21
5.5 反弹图
-0.56V信号到达源端后仍然会再次反射，反射电压是 -0.56V×(-0.67)=0.37V。在远端总电压0.56V+0.37V×2=1.32V，如此下去， 反射可以用反弹图或网格图来表示，如图所示。
利用反弹图或网格图分析多次反射和远端接收器的时变电压。
22
5.5 反弹图
在上述情况下，内阻小于传输线的特性阻抗，源端出现的 是负反射，这将引起通常所说的振铃现象。下图给出了上 例中，当信号上升时间远小于传输线的时延时，传输线远 端的电压波形。这是考虑了所有的多次反射和阻抗突变的 情况下，用SPICE仿真器来预测远端的波形。
5
5.2 反射形成机理
为了减少和消除反射，在高速电路板设计中的要 注意四点： 1. 使用可控阻抗互连线； 2. 传输线两端至少有一端需要匹配； 3. 采用使多分支产生的影响最小化的布线拓扑结构； 4. 使几何结构的不连续（突变）最小化。
5.7 使用TDR测量反射
信号源输出阶跃信号约400mV，经过50W校准电阻。紧靠 该电阻是测试点，高速采样放大器测该点电压值。一根短 同轴电缆，连接到前面板SMA插头上。DUT就插在该SMA 插头上。信号从源端注入DUT，在采样点处探测反射信号。 测试点处有两个电阻，第一个电阻是内部校准电阻，第二 个是TDR内部的传输线。 在测试点，测得的电压为: 400mV×50W/(50W50W)200mV，并在高速采样示波器 中显示出来。信号继续沿内部同轴电缆到达DUT 。
在区域1，分界处总Vi电nc 流V由re入fl 射 V电tra流ns和反射电流决定，它
们传播方向相反。区域1分界面处净电流为Iinc-Irefl。 在区域2中，电流等于Itrans。分别从分界面两侧看进去， 电流相同的条件是：
Iinc I每个区域中的阻抗值为该区域中电压与电流的比值：
11
5.3 电阻性负载的反射
如果区域2是开路，则反射系数为1。此时开路处有两 个方向相反的波相叠加。
12
5.3 电阻性负载的反射
第二种特殊情况是传输线的末端与返回路径相短 路，即末端阻抗为0。反射系数为-1： (0-50)/(0+50)=-1。1V入射信号到达远端时，产 生-1V反射信号向源端传播。 短路突变处测得的电压为入射电压与反射电压之 和，即0V。
当它驱动一个高阻抗时，可以得到源输出电压。如果在输 出端串联一个Rt=10W的小电阻，测量该电阻电压Vt，可 以计算出驱动器内阻Rs。
Rs
Rt VVot
1
Rs表示驱动器内阻； Rt表示输出端连接的终端电阻； Vo表示驱动器的开路输出电压； Vt表示终端电阻两端的电压。
接有终端电阻的输出驱动器简单模型。
第五章 传输线与反射
1
5.0 引言
如果信号沿互连线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化，则一部 分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播，这正是单一 网络中多数信号完整性问题产生的主要原因。 反射和失真使信号质量下降，看起来就像是振铃。引起信号电 平下降的下冲可能会超过噪声容限，造成误触发。下图表示短 传输线末端由瞬态阻抗突变造成的反射噪声。
相反，对于1V的信号源，当源端单端匹配（50W）， 而终端开路时，传输线分压所得的0.5V，在终端叠加 成1V。当反射波返回源端时即被吸收，不再形成振铃。 因此，终端波形为1V的阶跃函数。
17
5.4 求解驱动源内阻抗
当反射波最终到达源端时，将源端的输出阻抗作为瞬态阻 抗。假设器件等效电路模型为理想电压源与内阻串联，如 图所示。
2
5.0 引言
只要信号遇到瞬态阻抗突变，反射就会发生。
反射可能发生在线末端，或者是互连线拓扑结构发生改变
的地方，如拐角、过孔、T型结构、接插件等处。因此设
计互连线的目的就是尽可能保持信号受到的阻抗恒定。
首先要保持互连线的特性阻抗恒定。因此，制造阻抗可控
电路板变得越来越重要。
减小桩线（stub）长度、
18
5.4 求解驱动源内阻抗
下图给出了用CMOS驱动器模型仿真的输出电压。其中， 开路电压为3.3V连接的10W电阻两端电压为1.9V。由上式 可以计算出内阻： 10W×(3.3/1.91)7.3W。
驱动器分别连接电阻10kW和10W时的输出电压。由这两个电压
计算驱动器内阻。
19
5.5 反弹图
进入传输线的实际电压即入射电压，入射电压是由源 电压、内阻和传输线阻抗组成分压器决定的。 如果已知传输线的时延TD、信号所通过各区域的阻抗 和驱动器的初始电压，就可以计算出每个交界面的反 射，也可以预测出任意一点的实时电压。 例如，源电压是1V，内阻是10W，则实际进入时延为 1ns的50W传输线的电压是1V×50/(50+10)=0.84V， 这个0.84V信号就是沿传输线传播的初始入射电压。
26
5.7 使用TDR测量反射
TDR ( Time Domain Reflectometry )时域反射测量
TDR能够发射边沿快速上升的阶跃信号，上升边 沿一般为35ps到150ps，然后测量反射的瞬态幅 度，利用反射电压得到被测器件的阻抗。可以认 为TDR是一个快速阶跃信号发生器和高速采样示 波器。
为了使整个系统协调稳定，区域1中产生了一个反射回源 端的电压。它的唯一目的就是吸收入射信号和传输信号之 间不匹配的电压和电流，如图所示。
入射信号穿越分界面时，产
生了反射电压和电流，从而
使分界面两侧的电压和电流
回路相匹配。
8
5.2 反射形成机理
入射信号Vinc向着分界面传播，而传输信号Vtrans向 远离分界面的方向传播。分界面两侧电压相同的 条件：
利用网格图仿真传输线远端的电压。用SPICE仿真得到。 23
5.5 反弹图
图中有两个重要的特性： 第一，远端的电压最终逼近源电压1V，因为该电 路是开路的。所以，这是一个必然的结果，即源 电压最终是加在开路上。 第二，开路处的实际电压有时大于源电压。源电 压仅1V，然而远端测得的最大电压是1.68V。
使用菊花链代替分支结构、使用真正的点对点拓扑结构等
设计技巧，都是为了保持瞬态阻抗恒定。
其次改进拓扑结构设计并增加分立电阻元件应对阻抗的突
变，从而保证信号受到的瞬态阻抗恒定。
3
5.1 阻抗变化处的反射
只要瞬态阻抗发生了改变，部分信号将沿着与原传播方向 相反的方向反射，而另一部分将继续传播，但幅度有所改 变。将瞬态阻抗发生改变的地方称为阻抗突变，或简称突 变。
13
5.3 电阻性负载的反射
最后一种特殊情况是传输线末端所接阻抗与传输 线的特性阻抗相匹配。如果传输线的末端连接 50W电阻，则反射系数为0，此时不会存在反射电 压，50W电阻两端的电压就仅是入射信号。
14
5.3 电阻性负载的反射
当末端为一般电阻性负载时，信号所受到的瞬态阻抗在0 到无穷大之间，这样，反射系数在-1到+1之间。下图给出 了50W传输线的终端电阻与反射系数之间的关系。
Vinc Iinc Z1 ,
Vrefl Irefl Z1 ,
Vtrans Itrans Z2
代入电流表达式中得： Vinc Z1 Vrefl Z1 Vtrans Z2 Vinc Z1 Vrefl Z1 (Vinc Vrefl ) Z2
即：
Vinc
Z2 Z
Z1 2Z1
Vrefl
Z2 Z
信号从50W的区域1到区域2各种阻抗时的反射系数。
15
5.3 电阻性负载的反射
当区域2的阻抗小于区域1的阻抗时，反射系数为负，反射 电压也是负电压。该负电压行波将返回源端。这时电阻 （负载）两端的电压总是小于入射电压。
1V入射信号，终端电压值。为入射波与反射波之和。 16
5.3 电阻性负载的反射
Z1 2Z1
Vrefl Z2 Z1
Vinc Z2 Z1
这就是反射系数的定义！
10
5.3 电阻性负载的反射
传输线的终端匹配有三种最重要的特殊情况。假设传 输线的特性阻抗是50W。 首先，如果传输线的终端为开路，即末端的瞬态阻抗 是无穷大。这时反射系数为1： (无穷-50)/(无穷+50)=1。 即在开路端将产生与入射波大小相同、方向相反、返 回源端的反射波。 在传输线的末端（开路端的总电压），将是两个波的 叠加。一个是幅度为1V的信号向开路端传播，同时另 一个也是1V信号，但它向相反的方向传播。因此开路 端的电压为2V。见下图。
27
5.7 使用TDR测量反射
下图为TDR内部工作情况的示意图。
TDR内部结构图：一个高速脉冲发生器产生快速上升的 电压脉冲，该脉冲流经精确的50W电阻，该电阻串联一 个很短的50W同轴电缆，最后接到前面板的SMA端上。 待测器件(DUT Device Under Test )则插在该SMA上。然 后用高速采样示波器测得内部总电压并显示。
4
5.1 阻抗变化处的反射
两个区域的阻抗差异越大，反射信号量就越大。
例如，1V信号沿特性阻抗为50W的传输线传播，开始所受到的瞬 态阻抗为50W，当它进入特性阻抗为75W的区域时，反射系数为： (75-50)/(75+50)=0.2，反射电压为1V×0.2=0.2V。 信号沿传输线传播时遇到阻抗突变，在突变处将产生另一个波。 该波将叠加在第1个波上，向源端传播，其幅度等于入射电压的幅 度乘以反射系数。反射系数描述了反射回源端的那部分电压。传 输系数描述了通过交界面进入第二区域的部分入射电压。
边界处不可能出现电压不连续，否则此处会有一个无限大 电场；也不可能出现电流不连续，否则会有一个无限大的 磁场。
7
5.2 反射形成机理
为了维持分界面两侧的电压和电流相等，就需要满足关系 式V1=V2，I1=I2。而I1=V1/Z1，I2=V2/Z2，同时成立，显然， 当两个区域的阻抗不同时，这些关系式绝不可能同时成立。
21
5.5 反弹图
-0.56V信号到达源端后仍然会再次反射，反射电压是 -0.56V×(-0.67)=0.37V。在远端总电压0.56V+0.37V×2=1.32V，如此下去， 反射可以用反弹图或网格图来表示，如图所示。
利用反弹图或网格图分析多次反射和远端接收器的时变电压。
22
5.5 反弹图
在上述情况下，内阻小于传输线的特性阻抗，源端出现的 是负反射，这将引起通常所说的振铃现象。下图给出了上 例中，当信号上升时间远小于传输线的时延时，传输线远 端的电压波形。这是考虑了所有的多次反射和阻抗突变的 情况下，用SPICE仿真器来预测远端的波形。
5
5.2 反射形成机理
为了减少和消除反射，在高速电路板设计中的要 注意四点： 1. 使用可控阻抗互连线； 2. 传输线两端至少有一端需要匹配； 3. 采用使多分支产生的影响最小化的布线拓扑结构； 4. 使几何结构的不连续（突变）最小化。