傳輸線與反射

1、 傳輸線與反射傳輸線與反射 1 傳輸線與反射傳輸線與反射 傳輸線與反射傳輸線與反射 2 1.0 引言引言 如果信號(hào)沿互連線傳播時(shí)所受到的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，則 一部分信號(hào)將被反射反射，另一部分發(fā)生失真失真并繼續(xù)傳播，這 正是單一網(wǎng)絡(luò)中多數(shù)多數(shù)信號(hào)完整性問題產(chǎn)生的主要原因。 反射和失真使信號(hào)質(zhì)量下降，看起來就像是振鈴。引起信 號(hào)電平下降的下沖可能會(huì)超過噪聲容限，造成誤觸發(fā)。下 圖表示短傳輸線末端由瞬態(tài)阻抗突變?cè)斐傻姆瓷湓肼暋?傳輸線與反射傳輸線與反射 3 1.0 引言引言 只要信號(hào)遇到瞬態(tài)阻抗突變，反射就會(huì)發(fā)生。只要信號(hào)遇到瞬態(tài)阻抗突變，反射就會(huì)發(fā)生。 反射可能發(fā)生在線末端，或者是互連線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)

2、生 改變的地方，如拐角、過孔、T型結(jié)構(gòu)、接插件等處。 因此設(shè)計(jì)互連線的目的就是盡可能保持信號(hào)受到的阻 抗恒定。 首先首先要保持互連線的特性阻抗恒定。因此，制造阻抗 可控電路板變得越來越重要。減小樁線（減小樁線（stub）長度、）長度、 使用菊花鏈代替分支結(jié)構(gòu)、使用真正的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)使用菊花鏈代替分支結(jié)構(gòu)、使用真正的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)等設(shè)計(jì)技巧，構(gòu)等設(shè)計(jì)技巧，都是為了保持瞬態(tài)阻抗恒定。 其次其次改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并增加分立電阻元件應(yīng)對(duì)阻抗 的突變，從而保證信號(hào)受到的瞬態(tài)阻抗恒定。 傳輸線與反射傳輸線與反射 4 5.1 阻抗變化處的反射阻抗變化處的反射 只要瞬態(tài)阻抗發(fā)生了改變，部分信號(hào)將沿著與原傳播

3、方向相反的方向反射，而另一部分將繼續(xù)傳播，但幅 度有所改變。將瞬態(tài)阻抗發(fā)生改變的地方稱為阻抗突 變，或簡稱突變突變。 反射信號(hào)的量值由瞬態(tài)阻抗的變化量決定，如圖所示。 如果第一個(gè)區(qū)域第一個(gè)區(qū)域瞬態(tài)阻抗是Z1，第二個(gè)區(qū)域第二個(gè)區(qū)域是Z2，則 反射信號(hào)與入射信號(hào)幅值之比為（后面證明）： 21 21 reflected incident V ZZ VZZ Vreflected表示反射電壓； Vincident表示入射電壓； Z1表示信號(hào)最初所在區(qū)域1的瞬態(tài)阻抗； Z2表示信號(hào)進(jìn)入?yún)^(qū)域2時(shí)的瞬態(tài)阻抗； 表示反射系數(shù)； 傳輸線與反射傳輸線與反射 5 1.1 阻抗變化處的反射阻抗變化處的反射 兩個(gè)區(qū)域的阻

4、抗差異越大，反射信號(hào)量就越大。兩個(gè)區(qū)域的阻抗差異越大，反射信號(hào)量就越大。 例如，1V信號(hào)沿特性阻抗為50W的傳輸線傳播，開始所 受到的瞬態(tài)阻抗為50W，當(dāng)它進(jìn)入特性阻抗為75W的區(qū)域 時(shí)，反射系數(shù)為： (75-50)/(75+50)=0.2，反射電壓為1V0.2=0.2V。 信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)遇到阻抗突變，在突變處將產(chǎn)生另 一個(gè)波。該波將疊加在第1個(gè)波上，向源端傳播，其幅度 等于入射電壓的幅度乘以反射系數(shù)。反射系數(shù)描述了反反射系數(shù)描述了反 射回源端的那部分電壓。傳輸系數(shù)描述了通過交界面進(jìn)射回源端的那部分電壓。傳輸系數(shù)描述了通過交界面進(jìn) 入第二區(qū)域的部分入射電壓。入第二區(qū)域的部分入射電壓。 傳輸

5、線與反射傳輸線與反射 6 1.2 反射形成機(jī)理反射形成機(jī)理 為了減少和消除反射，在高速電路板設(shè)計(jì)中的 要注意四點(diǎn)： 使用可控阻抗互連線；使用可控阻抗互連線； 傳輸線兩端至少有一端需要匹配；傳輸線兩端至少有一端需要匹配； 采用使多分支產(chǎn)生的影響最小化的布線拓?fù)浣Y(jié)采用使多分支產(chǎn)生的影響最小化的布線拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)；構(gòu)； 使幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)（突變）最小化。使幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)（突變）最小化。 1. 傳輸線與反射傳輸線與反射 7 1.2 反射形成機(jī)理反射形成機(jī)理 那么為什么會(huì)產(chǎn)生反射呢？那么為什么會(huì)產(chǎn)生反射呢？ 為了滿足兩個(gè)重要的邊界條件！為了滿足兩個(gè)重要的邊界條件！ 在突變交界面處，無論是從區(qū)域1還是從區(qū)域

6、2 看過去，交界面兩側(cè)的電壓和電流電壓和電流都必須是相必須是相 同同的。 邊界處不可能出現(xiàn)電壓不連續(xù)，否則此處會(huì)有一個(gè)無邊界處不可能出現(xiàn)電壓不連續(xù)，否則此處會(huì)有一個(gè)無 限大電場；也不可能出現(xiàn)電流不連續(xù)，否則會(huì)有一個(gè)限大電場；也不可能出現(xiàn)電流不連續(xù)，否則會(huì)有一個(gè) 無限大的磁場無限大的磁場。 傳輸線與反射傳輸線與反射 8 5.2 反射形成機(jī)理反射形成機(jī)理 為了維持分界面兩側(cè)的電壓和電流相等，就需要滿足 關(guān)系式V1=V2，I1=I2。而I1=V1/Z1，I2=V2/Z2，同時(shí)成立， 顯然，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域的阻抗不同時(shí)，這些關(guān)系式絕不可 能同時(shí)成立。 為了使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定，區(qū)域1中產(chǎn)生了一個(gè)反射回 源端的

7、電壓。它的唯一目的就是吸收入射信號(hào)和傳輸它的唯一目的就是吸收入射信號(hào)和傳輸 信號(hào)之間不匹配的電壓和電流，信號(hào)之間不匹配的電壓和電流，如圖所示。 入射信號(hào)穿越分界面時(shí)，產(chǎn) 生了反射電壓和電流，從而 使分界面兩側(cè)的電壓和電流 回路相匹配。 傳輸線與反射傳輸線與反射 9 1.2 反射形成機(jī)理反射形成機(jī)理 入射信號(hào)Vinc向著分界面?zhèn)鞑?，而傳輸信?hào) Vtrans向遠(yuǎn)離分界面的方向傳播。分界面兩側(cè)電 壓相同的條件： 在區(qū)域1，分界處總電流由入射電流和反射電流決定， 它們傳播方向相反。區(qū)域1分界面處凈電流為Iinc-Irefl。 在區(qū)域2中，電流等于Itrans。分別從分界面兩側(cè)看進(jìn)去， 電流相同的條件是

8、： transreflinc VVV transreflinc III 傳輸線與反射傳輸線與反射 10 1.2 反射形成機(jī)理反射形成機(jī)理 每個(gè)區(qū)域中的阻抗值為該區(qū)域中電壓與電流的比值： 112 , incincreflrefltranstrans VIZVIZVIZ 代入電流表達(dá)式中得： 112 112 () increfltrans increflincrefl VZVZVZ VZVZVVZ 即： 12 12 12 12 12 12 ZZ ZZ V V ZZ ZZ V ZZ ZZ V inc refl reflinc 這就是反射系數(shù)的定義這就是反射系數(shù)的定義！ 傳輸線與反射傳輸線與反射 11

9、 1.3 電阻性負(fù)載的反射電阻性負(fù)載的反射 傳輸線的終端匹配有三種三種最重要的特殊情況。 假設(shè)傳輸線的特性阻抗是50W。 首先，如果傳輸線的終端為開路，即末端的瞬 態(tài)阻抗是無窮大。這時(shí)反射系數(shù)為1： (無窮-50)/(無窮+50)=1。 即在開路端將產(chǎn)生與入射波大小相同、方向相 反、返回源端的反射波。 在傳輸線的末端（開路端的總電壓），將是兩 個(gè)波的疊加。一個(gè)是幅度為1V的信號(hào)向開路端 傳播，同時(shí)另一個(gè)也是1V信號(hào)，但它向相反的 方向傳播。因此開路端的電壓為2V。見下圖。 傳輸線與反射傳輸線與反射 12 1.3 電阻性負(fù)載的反射電阻性負(fù)載的反射 如果區(qū)域2是開路，則反射系數(shù)為1。此時(shí)開路處有兩

10、 個(gè)方向相反的波相疊加。 傳輸線與反射傳輸線與反射 13 1.3 電阻性負(fù)載的反射電阻性負(fù)載的反射 第二第二種特殊情況是傳輸線的末端與返回路徑相 短路短路，即末端阻抗為0。反射系數(shù)為-1： (0-50)/(0+50)=-1。1V入射信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端時(shí)，產(chǎn) 生-1V反射信號(hào)向源端傳播。 短路突變處測得的電壓為入射電壓與反射電壓 之和，即0V。 傳輸線與反射傳輸線與反射 14 1.3 電阻性負(fù)載的反射電阻性負(fù)載的反射 最后一種最后一種特殊情況是傳輸線末端所接阻抗與傳 輸線的特性阻抗相匹配匹配。如果傳輸線的末端連 接50W電阻，則反射系數(shù)為0，此時(shí)不會(huì)存在反 射電壓，50W電阻兩端的電壓就僅是入射信號(hào)。

11、 傳輸線與反射傳輸線與反射 15 1.3 電阻性負(fù)載的反射電阻性負(fù)載的反射 當(dāng)末端為一般電阻性負(fù)載時(shí)，信號(hào)所受到的瞬態(tài)阻抗 在0到無窮大之間，這樣，反射系數(shù)在-1到+1之間。下 圖給出了50W傳輸線的終端電阻與反射系數(shù)之間的關(guān)系。 信號(hào)從50W的區(qū)域1到區(qū)域2各種阻抗時(shí)的反射系數(shù)。 傳輸線與反射傳輸線與反射 16 1.3 電阻性負(fù)載的反射電阻性負(fù)載的反射 當(dāng)區(qū)域2的阻抗小于區(qū)域1的阻抗時(shí)，反射系數(shù)為負(fù)， 反射電壓也是負(fù)電壓。該負(fù)電壓行波將返回源端。這 時(shí)電阻（負(fù)載）兩端的電壓總是小于入射電壓。 1V入射信號(hào)，終端電壓值。為入射波與反射波之和。 傳輸線與反射傳輸線與反射 17 1.3 電阻性負(fù)載

12、的反射電阻性負(fù)載的反射 那么采用源端匹配還是終端匹配？那么采用源端匹配還是終端匹配？ 常說采用源端匹配較好，為什么？假設(shè)源端不匹 配（如傳輸線特性阻抗為50W ，源內(nèi)阻為10W）， 而終端匹配（終端負(fù)載為50W）。此時(shí)，因?yàn)閭鬏?線上電壓分壓的關(guān)系，終端實(shí)際電壓反而不到1V （50/601V=0.83V）。另外，終端常常給定的， 或者是要求高阻負(fù)載，不易匹配。 相 反 ， 對(duì) 于 1 V 的 信 號(hào) 源 ， 當(dāng) 源 端 單 端 匹 配 （50W），而終端開路時(shí)，傳輸線分壓所得的0.5V， 在終端疊加成1V。當(dāng)反射波返回源端時(shí)即被吸收， 不再形成振鈴。因此，終端波形為1V的階躍函數(shù)。 傳輸線與反

13、射傳輸線與反射 18 1.4 求解驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗求解驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗 當(dāng)反射波最終到達(dá)源端時(shí)，將源端的輸出阻抗作為瞬 態(tài)阻抗。假設(shè)器件等效電路模型為理想電壓源與內(nèi)阻 串聯(lián)，如圖所示。 當(dāng)它驅(qū)動(dòng)一個(gè)高阻抗時(shí)，可以得到源輸出電壓。如果 在輸出端串聯(lián)一個(gè)Rt=10W的小電阻，測量該電阻電壓 Vt，可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻Rs。 接有終端電阻的輸出驅(qū)動(dòng)器簡單模型。 1 t o ts V V RR Rs表示驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻； Rt表示輸出端連接的終端電阻； Vo表示驅(qū)動(dòng)器的開路輸出電壓； Vt表示終端電阻兩端的電壓。 傳輸線與反射傳輸線與反射 19 1.4 求解驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗求解驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗 下圖給出了用CMOS驅(qū)動(dòng)器模

14、型仿真的輸出電壓。其 中，開路電壓為3.3V連接的10W電阻兩端電壓為1.9V。 由上式可以計(jì)算出內(nèi)阻： 10W(3.3/1.91)7.3W。 驅(qū)動(dòng)器分別連接電阻10kW和10W時(shí)的輸出電壓。由這兩個(gè)電壓 計(jì)算驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻。 傳輸線與反射傳輸線與反射 20 1.5 反彈圖反彈圖 進(jìn)入傳輸線的實(shí)際電壓即入射電壓，入射電壓是 由源電壓、內(nèi)阻和傳輸線阻抗組成分壓器決定的。 如果已知傳輸線的時(shí)延TD、信號(hào)所通過各區(qū)域的 阻抗和驅(qū)動(dòng)器的初始電壓，就可以計(jì)算出每個(gè)交 界面的反射，也可以預(yù)測出任意一點(diǎn)的實(shí)時(shí)電壓。 例如，源電壓是1V，內(nèi)阻是10W，則實(shí)際進(jìn)入時(shí) 延 為 1 n s 的 5 0 W 傳 輸 線

15、的 電 壓 是 1V50/(50+10)=0.84V，這個(gè)0.84V信號(hào)就是沿傳 輸線傳播的初始入射電壓。 傳輸線與反射傳輸線與反射 21 1.5 反彈圖反彈圖 假設(shè)傳輸線的末端是開路開路，1ns后后在線末端測得開路兩 端的總電壓為兩個(gè)波之和，即0.84V+0.84V=1.68V。再 過1ns，0.84V反射波到達(dá)源端，再次遇到阻抗突變 （內(nèi)阻為10W）。源端的反射系數(shù)是(10-50)/(10+50)=- 0.67，這時(shí)將有0.84V(-0.67)=-0.56V反射回線遠(yuǎn)端。 接著，這個(gè)新產(chǎn)生的波又會(huì)從遠(yuǎn)端反射回源端，即- 0.56V電壓將被反射回來。這時(shí)線遠(yuǎn)端開路處將同時(shí)測 得四個(gè)波：從一次

16、行波中得到20.84V=1.68V，從二 次反射中得到的2(-0.56V)=-1.12V，故總電壓為 0.56V。 傳輸線與反射傳輸線與反射 22 1.5 反彈圖反彈圖 -0.56V信號(hào)到達(dá)源端后仍然會(huì)再次反射，反射電壓是 -0.56V(-0.67)=0.37V。在遠(yuǎn)端總電壓0.56V+0.37V2=1.32V， 如此下去，反射可以用反彈圖或網(wǎng)格圖來表示，如圖所示。 利用反彈圖或網(wǎng)格圖分析多次反射和遠(yuǎn)端接收器的時(shí)變電壓。 傳輸線與反射傳輸線與反射 23 1.5 反彈圖反彈圖 在上述情況下，內(nèi)阻小于傳輸線的特性阻抗，源端出內(nèi)阻小于傳輸線的特性阻抗，源端出 現(xiàn)的是負(fù)反射，這將引起通常所說的振鈴現(xiàn)象

17、?，F(xiàn)的是負(fù)反射，這將引起通常所說的振鈴現(xiàn)象。下圖 給出了上例中，當(dāng)信號(hào)上升時(shí)間遠(yuǎn)小于傳輸線的時(shí)延 時(shí)，傳輸線遠(yuǎn)端的電壓波形。這是考慮了所有的多次 反射和阻抗突變的情況下，用SPICE仿真器來預(yù)測遠(yuǎn)端 的波形。 利用網(wǎng)格圖仿真?zhèn)鬏斁€遠(yuǎn)端的電壓。用SPICE仿真得到。 傳輸線與反射傳輸線與反射 24 1.5 反彈圖反彈圖 圖中有兩個(gè)重要的特性： 第一，遠(yuǎn)端的電壓最終逼近源電壓1V，因?yàn)樵?電路是開路的。所以，這是一個(gè)必然的結(jié)果， 即源電壓最終是加在開路上。 第二，開路處的實(shí)際電壓有時(shí)大于源電壓大于源電壓。源 電壓僅1V，然而遠(yuǎn)端測得的最大電壓是1.68V。 傳輸線與反射傳輸線與反射 25 1.6

18、反射波形仿真反射波形仿真 當(dāng)終端是阻抗較復(fù)雜的器件時(shí)，電路仿真計(jì)算比較簡單。 內(nèi)阻內(nèi)阻10W W驅(qū)動(dòng)器，特性阻抗驅(qū)動(dòng)器，特性阻抗50W W傳輸線，傳輸線，SPICE仿真中可能出現(xiàn)的情況。仿真中可能出現(xiàn)的情況。 上圖是信號(hào)上升時(shí)間不同時(shí)遠(yuǎn)端電壓；下圖是串聯(lián)的源端電阻不同時(shí)遠(yuǎn)端電壓。上圖是信號(hào)上升時(shí)間不同時(shí)遠(yuǎn)端電壓；下圖是串聯(lián)的源端電阻不同時(shí)遠(yuǎn)端電壓。 傳輸線與反射傳輸線與反射 26 5.6 反射波形仿真反射波形仿真 內(nèi)阻、傳輸線特性阻抗、時(shí)延以及終端阻抗可 以有很多種不同的組合方式，每一種都可以仿 真。上圖分別給出了信號(hào)上升時(shí)間從0.1ns上升 到1.5ns和源端端接阻抗從0W至90W范圍變化時(shí)

19、， 遠(yuǎn)端信號(hào)波形的變化。 無論是使用無論是使用SPICESPICE電路仿真器還是行為級(jí)仿真電路仿真器還是行為級(jí)仿真 器，都可以在考慮傳輸線所有特性的情況下對(duì)器，都可以在考慮傳輸線所有特性的情況下對(duì) 任意傳輸線電路的性能進(jìn)行仿真。任意傳輸線電路的性能進(jìn)行仿真。 傳輸線與反射傳輸線與反射 27 1.7 使用使用TDR測量反射測量反射 TDR ( Time Domain Reflectometry )時(shí)域反射測量 TDR能夠發(fā)射邊沿快速上升的階躍信號(hào)，上升能夠發(fā)射邊沿快速上升的階躍信號(hào)，上升 邊沿一般為邊沿一般為35ps到到150ps，然后測量反射的瞬，然后測量反射的瞬 態(tài)幅度，利用反射電壓得到被測

20、器件的阻抗。態(tài)幅度，利用反射電壓得到被測器件的阻抗。 可以認(rèn)為可以認(rèn)為TDR是一個(gè)快速階躍信號(hào)發(fā)生器和高是一個(gè)快速階躍信號(hào)發(fā)生器和高 速采樣示波器。速采樣示波器。 傳輸線與反射傳輸線與反射 28 1.7 使用使用TDR測量反射測量反射 下圖為TDR內(nèi)部工作情況的示意圖。 TDR內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：一個(gè)高速脈沖發(fā)生器產(chǎn)生快速上升的 電壓脈沖，該脈沖流經(jīng)精確的50W電阻，該電阻串聯(lián)一 個(gè)很短的50W同軸電纜，最后接到前面板的SMA端上。 待測器件(DUT Device Under Test )則插在該SMA上。然 后用高速采樣示波器測得內(nèi)部總電壓并顯示。 傳輸線與反射傳輸線與反射 29 1.7 使用使用T

21、DR測量反射測量反射 信號(hào)源輸出階躍信號(hào)約400mV，經(jīng)過50W校準(zhǔn)電阻。緊 靠該電阻是測試點(diǎn)，高速采樣放大器測該點(diǎn)電壓值。 一根短同軸電纜，連接到前面板SMA插頭上。DUT就 插在該SMA插頭上。信號(hào)從源端注入DUT，在采樣點(diǎn) 處探測反射信號(hào)。測試點(diǎn)處有兩個(gè)電阻，第一個(gè)電阻 是內(nèi)部校準(zhǔn)電阻，第二個(gè)是TDR內(nèi)部的傳輸線。 在測試點(diǎn)，測得的電壓為: 400mV50W/(50W50W)200mV，并在高速采樣示波 器中顯示出來。信號(hào)繼續(xù)沿內(nèi)部同軸電纜到達(dá)DUT 。 傳輸線與反射傳輸線與反射 30 1.7 使用使用TDR測量反射測量反射 如果如果DUT是一個(gè)是一個(gè)50W W的終端的終端，則此處沒有反

22、射信號(hào)， 所以采樣點(diǎn)處僅有的電壓為前向波，其電壓恒定為 200mV。 如果如果DUT為開路為開路，DUT處的反射電壓為200mV。經(jīng)過 很短的時(shí)間后，該200mV反射信號(hào)返回到采樣點(diǎn)，此 時(shí)測量并顯示的是200mV入射電壓與200mV反射電壓 之和，即400mV。 如果如果DUT為短路為短路，DUT處的反射電壓為-200mV。經(jīng)過 很短的時(shí)間后，該-200mV反射信號(hào)返回到采樣點(diǎn)，此 時(shí)測量并顯示的是200mV入射電壓與-200mV反射電壓 之和，即0V。 傳輸線與反射傳輸線與反射 31 1.7 使用使用TDR測量反射測量反射 當(dāng)DUT開路和短路時(shí)測得的TDR相應(yīng)。 傳輸線與反射傳輸線與反射

23、32 1.7 使用使用TDR測量反射測量反射 TDR可以測量出連接在儀器前端SMA插頭上的 各種互連所產(chǎn)生的反射電壓，以及信號(hào)沿互連 線傳播的過程中，在所有突變處產(chǎn)生反射時(shí)， 該電壓隨時(shí)間的變化情況。 當(dāng)需要了解自身沒有電壓源的無源互連線特性當(dāng)需要了解自身沒有電壓源的無源互連線特性 時(shí)，時(shí)，TDR是最合適的測量儀器。是最合適的測量儀器。 在測量有源電路的實(shí)際電壓時(shí)，帶高阻抗探針在測量有源電路的實(shí)際電壓時(shí)，帶高阻抗探針 的高速示波器則是最合適的工具。的高速示波器則是最合適的工具。 傳輸線與反射傳輸線與反射 33 1.7 使用使用TDR測量反射測量反射 當(dāng)傳輸信號(hào)繼續(xù)沿DUT傳播時(shí)，如果有其它的瞬

24、態(tài)阻 抗發(fā)生改變的區(qū)域，那么新的反射電壓就會(huì)產(chǎn)生，此 電壓將返回內(nèi)部測試點(diǎn)處并顯示出來。 入射信號(hào)沿著互連線傳播，同時(shí)反射信號(hào)沿著互連線 返回到測試點(diǎn)，所以從顯示器上看到的時(shí)延正好是任 意突變點(diǎn)的往返時(shí)延。 例如，如果DUT是均勻的4in長、50W的傳輸線，因?yàn)?它通常不是精確的50W。這樣，最初在DUT的入口處 會(huì)有一個(gè)很小的反射電壓，而當(dāng)入射信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端開 路處時(shí)，就會(huì)有一個(gè)較大的反射信號(hào)返回測試點(diǎn)。 傳輸線與反射傳輸線與反射 34 1.7 使用使用TDR測量反射測量反射 如果傳輸線DUT不是50W ，那么在傳輸線DUT的兩端 就會(huì)發(fā)生多次反射。TDR顯示的是所有返回內(nèi)部測試 點(diǎn)的信號(hào)的疊

25、加。下圖給出了末端開路時(shí)，TDR對(duì)50W 傳輸線DUT和15W傳輸線DUT的響應(yīng)情況。 左圖時(shí)基200ps/div，右圖時(shí)基5ns/div 傳輸線與反射傳輸線與反射 35 1.8 傳輸線的非故意突變傳輸線的非故意突變 阻抗改變，必有反射。要預(yù)測阻抗突變，就要選擇合 適的設(shè)計(jì)方案。 但是，即使電路板設(shè)計(jì)時(shí)采用可控阻抗互連線，信號(hào) 在下列非故意情況時(shí)仍然會(huì)遇到阻抗的突變： 線的末端；線的末端； 封裝引線；封裝引線； 輸入門電容；輸入門電容； 信號(hào)層間的過孔；信號(hào)層間的過孔； 拐角；拐角； 樁線（樁線（stub）；）； 分支；分支； 測試焊盤；測試焊盤； 返回路徑上的間隙；返回路徑上的間隙； 過孔區(qū)

26、域中的頸狀；過孔區(qū)域中的頸狀； 1. 線交叉。線交叉。 傳輸線與反射傳輸線與反射 36 1.8 傳輸線的非故意突變傳輸線的非故意突變 常用三種等效電路模型描述非故意突變： 短傳輸線（串聯(lián)或并聯(lián)）； 理想電容； 理想電感。 下圖給出了線兩端或中間可能的等效電路模型。 突變引起的信號(hào)失真程度受兩個(gè)最重要參數(shù)的影響： 信號(hào)的上升時(shí)間上升時(shí)間（內(nèi)因）和阻抗突變阻抗突變的大小（外因）。 電感和電容的瞬態(tài)阻抗與電流、電壓的瞬時(shí)變化率有 關(guān)，因此反射系數(shù)隨信號(hào)上升時(shí)間不同而不同。 反射電壓值與信號(hào)上升時(shí)間有關(guān)反射電壓值與信號(hào)上升時(shí)間有關(guān)。 傳輸線與反射傳輸線與反射 37 1.8 傳輸線的非故意突變傳輸線的非

27、故意突變 用傳輸線電路來示例三種特殊阻抗突變的情況：短傳 輸線的串聯(lián)和并聯(lián)、并聯(lián)電容、串聯(lián)電感。 傳輸線與反射傳輸線與反射 38 1.8 傳輸線的非故意突變傳輸線的非故意突變 設(shè)計(jì)一個(gè)絕對(duì)沒有反射的互連線是不可能的！設(shè)計(jì)一個(gè)絕對(duì)沒有反射的互連線是不可能的！ 多大的噪聲是可以接受的，多大的噪聲是過量 的呢？這很大程度上取決于噪聲預(yù)算和每個(gè)噪 聲源會(huì)分配多大的噪聲電壓。 只有把產(chǎn)生突變的物理結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電路 模型并進(jìn)行仿真，才能充分明白這些因素以及 阻抗突變所產(chǎn)生的影響，而經(jīng)驗(yàn)法則只能在問 題產(chǎn)生時(shí)提供工程預(yù)見和大致策略。 傳輸線與反射傳輸線與反射 39 1.8 傳輸線的非故意突變傳輸線的非故

28、意突變 除非特別指定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，反射噪聲應(yīng) 被控制在電壓擺幅的10%之內(nèi)。對(duì)于3.3V 信號(hào)，反射噪聲應(yīng)該被控制在330mV之 內(nèi)。某些噪聲預(yù)算可能更加保守，反射 噪聲僅分配了5%。一般來說，噪聲預(yù)算 要求越嚴(yán)，解決方案就越昂貴。通常， 只關(guān)心那些接近或超過信號(hào)擺幅10%的 噪聲。 傳輸線與反射傳輸線與反射 40 1.9 傳輸線多長時(shí)需要端接匹配傳輸線多長時(shí)需要端接匹配 信號(hào)在遠(yuǎn)端高阻抗開路端和近端低阻抗驅(qū)動(dòng)間反彈。如果 導(dǎo)線短，雖然發(fā)生反射，但它們被上升或下降沿被上升或下降沿掩蓋了。 下圖為時(shí)延為上升時(shí)間20%、30%和40%時(shí)接收端波形。 在遠(yuǎn)端開路時(shí)的100MHz時(shí)鐘波形。時(shí)延超過上升時(shí)

29、間20% 時(shí)，振鈴可能引起問題。 傳輸線與反射傳輸線與反射 41 1.9 傳輸線多長時(shí)需要端接匹配傳輸線多長時(shí)需要端接匹配 對(duì)于0.5ns的上升沿，當(dāng)互連線時(shí)延大于0.1ns（即 20%）時(shí)，所有的反射都將發(fā)生，它們每0.2ns （即往返時(shí)間）完成一個(gè)來回振蕩。如果時(shí)延遠(yuǎn) 小于上升時(shí)間，那么多次反射將被掩蓋在上升沿 中，不會(huì)引起問題。但如果時(shí)延超過上升時(shí)間的 20%，振鈴就開始有明顯的效果。 當(dāng)傳輸線時(shí)延大于信號(hào)上升時(shí)間當(dāng)傳輸線時(shí)延大于信號(hào)上升時(shí)間20%20%時(shí)，就要開始時(shí)，就要開始 考慮由于導(dǎo)線沒有終端端接而產(chǎn)生的振鈴噪聲。考慮由于導(dǎo)線沒有終端端接而產(chǎn)生的振鈴噪聲。 如果傳輸線時(shí)延小于信號(hào)上

30、升時(shí)間如果傳輸線時(shí)延小于信號(hào)上升時(shí)間20%20%時(shí)，振鈴噪時(shí)，振鈴噪 聲可以忽略，傳輸線不需要終端端接（即線較短聲可以忽略，傳輸線不需要終端端接（即線較短 時(shí)）。時(shí)）。 傳輸線與反射傳輸線與反射 42 1.9 傳輸線多長時(shí)需要端接匹配傳輸線多長時(shí)需要端接匹配 如果上升時(shí)間是1ns，沒有終端端接的傳輸線 最大時(shí)延是1ns20%=0.2ns ，在FR4中，信號(hào) 傳播速度大約為6in/ns，所以沒有終端端接的 傳輸線的最大長度約為6in/ns0.2ns=1.2in。 所以為了避免反射，沒有終端端接時(shí)的傳輸線 的最大長度大約為： RTLen max Lenmax表示沒有終端端接的傳輸線最大長度，單位為

31、in； RT表示信號(hào)上升時(shí)間，單位為ns。 傳輸線與反射傳輸線與反射 43 1.9 傳輸線多長時(shí)需要端接匹配傳輸線多長時(shí)需要端接匹配 在在FR4中中沒有終端端接的傳輸線最大長度的英沒有終端端接的傳輸線最大長度的英 寸值等于信號(hào)上升時(shí)間的納秒值。寸值等于信號(hào)上升時(shí)間的納秒值。 若時(shí)鐘頻率是10MHz，時(shí)鐘周期是100ns，如果上 升時(shí)間約為10ns，那么沒有終端端接時(shí)傳輸線最大 長度為10in。 當(dāng)信號(hào)上升時(shí)間變?yōu)?.25ns，為了避免振鈴噪聲造 成大的影響，沒有終端端接時(shí)傳輸線的最大長度大 約為0.25in(6.35mm)！ 幾乎所有互連線的長度都大于這個(gè)值。所以對(duì)于目 前和未來的所有產(chǎn)品，端

32、接策略是必須必須的。 傳輸線與反射傳輸線與反射 44 1.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗渣c(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗?振鈴是由源端和遠(yuǎn)端的阻抗突變、兩端之間不斷往復(fù) 多次反射引起的。所以，至少在一端消除反射，就可 以減小振鈴噪聲。 控制傳輸線一端或兩端的阻抗，從而減小反射的方法 稱為傳輸線的端接。典型的方法是在重要位置上放置典型的方法是在重要位置上放置 一個(gè)或多個(gè)電阻。一個(gè)或多個(gè)電阻。 一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一個(gè)接收器的情況稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓?fù)?結(jié)構(gòu)。下圖示例了端接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四種方法。 最常用的方法是將電阻串聯(lián)在驅(qū)動(dòng)器端，這稱為源端源端 串聯(lián)端接串聯(lián)端接。端接電阻與驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻之和應(yīng)等于傳輸線 的特性

33、阻抗。 傳輸線與反射傳輸線與反射 45 1.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗渣c(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗?點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)四種常用端接，第一種源端最常用。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)四種常用端接，第一種源端最常用。 傳輸線與反射傳輸線與反射 46 1.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗渣c(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗?如果驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻為10W，傳輸線特性阻抗是50W， 那么端接電阻大約為40W。驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生1V信號(hào)遇 到50W電阻和50W傳輸線的分壓器，這樣，0.5V將 到達(dá)傳輸線。 0.5V反射信號(hào)返回源端到達(dá)串聯(lián)端接電阻時(shí)，往 源端看進(jìn)去的阻抗就是40W串聯(lián)電阻加上10W內(nèi)阻， 即50W，不會(huì)產(chǎn)生反射，被完全吸收。 這

34、時(shí)在遠(yuǎn)端看到的是1V信號(hào)而沒有反射。下圖給 出了當(dāng)有和沒有40W源端串聯(lián)端接時(shí)，傳輸線遠(yuǎn)端 的波形。 傳輸線與反射傳輸線與反射 47 1.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗渣c(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗?傳輸線分別有和沒有源端串聯(lián)端接電阻時(shí)，其遠(yuǎn)端的快傳輸線分別有和沒有源端串聯(lián)端接電阻時(shí)，其遠(yuǎn)端的快 速上升邊的電壓信號(hào)。速上升邊的電壓信號(hào)。 傳輸線與反射傳輸線與反射 48 1.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗渣c(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗?在源端，必須等待反射波的到來，等待的時(shí)間 等于往返時(shí)間，所以串聯(lián)電阻之后的源端電壓 將形成臺(tái)階形狀。相對(duì)于信號(hào)上升時(shí)間，往返 時(shí)延越長，臺(tái)階形狀就持續(xù)的越長。下圖給出

35、 了源端測得的電壓。 只要在源端附近沒有別的接收器接收到該臺(tái)階 形狀，就不會(huì)引發(fā)問題。否則就要使用其它拓 撲結(jié)構(gòu)和終端端接方案。 傳輸線與反射傳輸線與反射 49 1.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗渣c(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私硬呗?下例中，都假設(shè)源阻抗已經(jīng)與傳輸線的特性阻抗50W相 匹配。末端是直接提升，在源端反而是臺(tái)階提升！末端是直接提升，在源端反而是臺(tái)階提升！ 傳輸線具有源端傳輸線具有源端40W W串聯(lián)電阻，隨著線長度的增加，在源端測串聯(lián)電阻，隨著線長度的增加，在源端測 得的得的100MHz時(shí)鐘信號(hào)。信號(hào)上升時(shí)間為時(shí)鐘信號(hào)。信號(hào)上升時(shí)間為0.5ns。 傳輸線與反射傳輸線與反射 50 1.11 短

36、串接傳輸線的反射短串接傳輸線的反射 電路板上線條常常要通過過孔區(qū)域（過孔就是傳過孔就是傳 輸中的瓶頸輸中的瓶頸），或是要在元件密集區(qū)域布線。此 時(shí)線寬必然變窄，特性阻抗變大。 短傳輸線對(duì)信號(hào)影響的三個(gè)特性是（兩外因：兩外因：長長 度、寬度，度、寬度，一內(nèi)因：一內(nèi)因：信號(hào)的上升時(shí)間信號(hào)的上升時(shí)間）： 突變段引起的時(shí)延（TD，長度）； 突變段的特性阻抗（Z0，寬度）； 信號(hào)的上升時(shí)間（RT，上升邊）。 如果時(shí)延大于上升時(shí)間，從電氣上講突變段就較 長，反射系數(shù)將很大，反射系數(shù)的作用就很明顯。 傳輸線與反射傳輸線與反射 51 1.11 短串接傳輸線的反射短串接傳輸線的反射 如果線條的形狀造成阻抗從50

37、W變?yōu)?5W，反射系數(shù)將 為0.2。下圖給出了一些較長的傳輸線長的突變?cè)斐傻?反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。 在傳輸線電路中，有一段電氣上較長且均勻的突變。當(dāng)突變的阻抗變化在傳輸線電路中，有一段電氣上較長且均勻的突變。當(dāng)突變的阻抗變化 時(shí)，傳輸線上的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)（時(shí)，傳輸線上的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)（長串接阻抗變化單因素圖）長串接阻抗變化單因素圖）。 傳輸線與反射傳輸線與反射 52 1.11 短串接傳輸線的反射短串接傳輸線的反射 阻抗突變引起了信號(hào)來回振蕩，從而形成了反 射噪聲。這就是要設(shè)計(jì)均勻特性阻抗互連線的 原因。為了保持反射噪聲低于電壓擺幅5% ， 就需要保證特性阻抗的變化率小于10%，這就 是

38、為什么電路板上阻抗的典型指標(biāo)為10%！ 傳輸線與反射傳輸線與反射 53 1.11 短串接傳輸線的反射短串接傳輸線的反射 一段短且均勻的突變。當(dāng)突變段的時(shí)延從信號(hào)上升時(shí)間的一段短且均勻的突變。當(dāng)突變段的時(shí)延從信號(hào)上升時(shí)間的0%上升上升 到到40%時(shí)，傳輸線上的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。時(shí)，傳輸線上的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。 傳輸線與反射傳輸線與反射 54 1.11 短串接傳輸線的反射短串接傳輸線的反射 在中間插入一段異變傳輸線時(shí)，不管在第一個(gè)界面處發(fā)生 的反射如何，它總是在與第二個(gè)界面處發(fā)生的反射大小相 等，方向相反，因?yàn)閆1和Z2值互換了。這樣，如果突變段長 度很短，來自兩端的反射就可以互相抵消，對(duì)信號(hào)

39、完整性 的影響就可以忽略。如上圖所示。如果突變段的時(shí)延小于 信號(hào)上升時(shí)間20%，它就不會(huì)造成問題。得到相同的經(jīng)驗(yàn)法 則，可允許的阻抗突變最大長度為： RTLen max 如果突變段的時(shí)延小于信號(hào)上升時(shí)間如果突變段的時(shí)延小于信號(hào)上升時(shí)間20%，突變對(duì)信，突變對(duì)信 號(hào)質(zhì)量造成的影響可以忽略。經(jīng)驗(yàn)法則：突變段的長號(hào)質(zhì)量造成的影響可以忽略。經(jīng)驗(yàn)法則：突變段的長 度（度（in）應(yīng)小于信號(hào)上升時(shí)間（）應(yīng)小于信號(hào)上升時(shí)間（ns）。）。 例如信號(hào)上升時(shí)間為0.5ns，則長度小于0.5in(12.7mm) 的連線就不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題。 傳輸線與反射傳輸線與反射 55 1.12 短樁線傳輸線的反射短樁線傳輸線

40、的反射 傳輸線中常常加上分支使信號(hào)到達(dá)多個(gè)輸出端。 如果分支很短，稱為樁線（stubs）。 因?yàn)樗械姆瓷涠急仨毧紤]，所以樁線的影響很 復(fù)雜。 信號(hào)離開驅(qū)動(dòng)器后，遇到了分支點(diǎn)。這時(shí)信號(hào)遇 到的是兩段傳輸線的并聯(lián)阻抗，此阻抗較低，所 以產(chǎn)生的負(fù)反射將回到源端。另一部分信號(hào)將沿 兩個(gè)分支繼續(xù)傳播。當(dāng)樁線上的信號(hào)到達(dá)樁線末 端時(shí)，它將反射回分支點(diǎn)。然后，再從分支點(diǎn)反 射到樁線末端，就這樣在樁線上來回振蕩。同時(shí)， 每當(dāng)與分支點(diǎn)發(fā)生交互時(shí)，樁線中的部分信號(hào)將 回到源端和遠(yuǎn)端。每個(gè)交界處都是一個(gè)反射點(diǎn)。 傳輸線與反射傳輸線與反射 56 1.12 短樁線傳輸線的反射短樁線傳輸線的反射 決定樁線對(duì)信號(hào)影響程度

41、的兩個(gè)重要因素是信號(hào)上升時(shí)信號(hào)上升時(shí) 間和樁線的長度間和樁線的長度。假設(shè)樁線位于傳輸線的中間，并且其 特性阻抗和主線的相同。圖給出了當(dāng)樁線長度從上升時(shí) 間20%到60%時(shí)，仿真得到的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。 傳輸線電路中間有短樁線，而且樁線時(shí)延從信號(hào)上升時(shí)間傳輸線電路中間有短樁線，而且樁線時(shí)延從信號(hào)上升時(shí)間20%到到60%時(shí)，傳時(shí)，傳 輸線上的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。輸線上的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。 傳輸線與反射傳輸線與反射 57 1.12 短樁線傳輸線的反射短樁線傳輸線的反射 一個(gè)大致的經(jīng)驗(yàn)法則：如果樁線長度小于信號(hào)上 升邊的空間延伸20%，其影響可以忽略。否則它對(duì) 信號(hào)質(zhì)量就會(huì)有很大的影響，這時(shí)必須通

42、過仿真 來估計(jì)它是否可以接受。 例如，如果驅(qū)動(dòng)器的上升時(shí)間是1ns，則可以使用 時(shí)延小于0.2ns的樁線，其長度大約為1in。又得到 一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則： RTLstub max Lstubmax表示樁線可允許的最大長度，單位為表示樁線可允許的最大長度，單位為in； RT表示信號(hào)上升時(shí)間，單位為表示信號(hào)上升時(shí)間，單位為ns。 傳輸線與反射傳輸線與反射 58 1.13 容性終端負(fù)載的反射容性終端負(fù)載的反射 實(shí)際接收器有門輸入電容（約為2pF），另外 接收器封裝引線與返回路徑間約有1pF電容， 如果傳輸線末端排列三個(gè)存儲(chǔ)器件，則負(fù)載可 能為10pF。 信號(hào)沿傳輸線到達(dá)末端理想電容時(shí)，決定反射 系數(shù)的瞬態(tài)

43、阻抗將隨時(shí)間變化：時(shí)域中電容的 阻抗為： dt dV C V Z 傳輸線與反射傳輸線與反射 59 1.13 容性終端負(fù)載的反射容性終端負(fù)載的反射 如果信號(hào)上升時(shí)間小于電容的充電時(shí)間常數(shù)，那么最 初電容器兩端的電壓將迅速上升，這時(shí)阻抗很小。隨 著電容器充電，電容器兩端的電壓變化率dV/dt緩慢下 降，這時(shí)電容器阻抗明顯增大。如果時(shí)間足夠長，電 容器充電達(dá)到飽和，那么電容器就相當(dāng)于開路。 因此反射系數(shù)隨時(shí)間變化。反射信號(hào)先下跌再上升先下跌再上升到 開路情形（相當(dāng)于近于短路，凹下去，最終相當(dāng)于開 路）這個(gè)精確波形是由傳輸線特性阻抗、電容器電容 量和信號(hào)上升時(shí)間決定。 dt dV C V Z 傳輸線與

44、反射傳輸線與反射 60 1.13 容性終端負(fù)載的反射容性終端負(fù)載的反射 下圖給出了電容器分別為2pF、 5pF和10pF時(shí)，仿真得 到的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)的波形。 對(duì)于上升時(shí)間為對(duì)于上升時(shí)間為0.5ns的信號(hào)，當(dāng)傳輸線電路遠(yuǎn)端容性負(fù)載的電容量分別為的信號(hào)，當(dāng)傳輸線電路遠(yuǎn)端容性負(fù)載的電容量分別為 2pF、 5pF和和10pF時(shí)，傳輸線上的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。時(shí)，傳輸線上的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。 傳輸線與反射傳輸線與反射 61 1.13 容性終端負(fù)載的反射容性終端負(fù)載的反射 傳輸電壓模式的長期效果就像是通過電阻向電容器充 電。電容器對(duì)信號(hào)上升沿進(jìn)行濾波，對(duì)接收端信號(hào)來 說，它就相當(dāng)于一個(gè)“時(shí)延累加器

45、”。與RC電路充電 方式非常相似，而RC電路中電容器兩端的電壓隨時(shí)間 常數(shù)的指數(shù)增加，根據(jù)這一關(guān)系，可以估計(jì)出新信號(hào) 升至幅度中間值的時(shí)延增加量，即時(shí)延累加。這時(shí)的 時(shí)間常數(shù)為： 10%90%的上升時(shí)間與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系為： RC e RC2222 90109010 . 傳輸線與反射傳輸線與反射 62 1.13 容性終端負(fù)載的反射容性終端負(fù)載的反射 在帶容性負(fù)載的傳輸線末端，電壓的變化就是對(duì)RC的充電 過程，其中C是負(fù)載的電容，R即傳輸線的特性阻抗Z0，則 如果傳輸線的特性阻抗為50W，電容為10pF，則10-90 充電時(shí)間約為1.1ns。如果初始信號(hào)的上升時(shí)間小于 1.1ns，則傳輸線末端的容

46、性負(fù)載將占主導(dǎo)地位并決定 接收端的上升時(shí)間。如果初始信號(hào)的上升時(shí)間大于10- 90充電時(shí)間，該末端電容將使信號(hào)的上升時(shí)間累加上 10-90充電時(shí)間。 必須重視必須重視由傳輸線的特性阻抗和輸入接收器的容性負(fù) 載決定的10-90充電上升時(shí)間。當(dāng)10-90RC上升時(shí)間與 初始信號(hào)的上升時(shí)間相當(dāng)時(shí)，遠(yuǎn)端的容性負(fù)載就對(duì)時(shí) 序有明顯的影響。 CZ0 9010 22. 傳輸線與反射傳輸線與反射 63 1.14 連線中途的容性負(fù)載反射連線中途的容性負(fù)載反射 測試焊盤、過孔、封裝引線或中途短樁線，都起著集 總電容器的作用。如果在靠近線條的前端處接有接收 器，信號(hào)邊沿下滑會(huì)產(chǎn)生問題。 傳輸線與反射傳輸線與反射 6

47、4 1.14 連線中途的容性負(fù)載反射連線中途的容性負(fù)載反射 對(duì)于遠(yuǎn)端，第一次經(jīng)過電容的傳輸信號(hào)并沒有受到太 大影響。當(dāng)信號(hào)在末端發(fā)生反射后，它將向源端方向 返回。這一次它到達(dá)電容器時(shí)，帶負(fù)值符號(hào)的部分信 號(hào)將又反射回遠(yuǎn)端。這些反射回接收器的信號(hào)為負(fù)電 壓，使接收端信號(hào)下降形成下沖。 電容量越大，阻抗越小，負(fù)反射電壓越大，接收端的電容量越大，阻抗越小，負(fù)反射電壓越大，接收端的 下沖也越大。上升時(shí)間越短，電容器阻抗越小，下沖下沖也越大。上升時(shí)間越短，電容器阻抗越小，下沖 就越大。就越大。 如果對(duì)于上升時(shí)間RT，電容量Cmax勉強(qiáng)可以接受，這 時(shí)如果上升時(shí)間減小，最大可允許的電容量也必須減 小。 上

48、升時(shí)間與電容量比值的單位是歐姆，這正是時(shí)域中 電容器的阻抗： dt dV C V Zcap 傳輸線與反射傳輸線與反射 65 1.14 連線中途的容性負(fù)載反射連線中途的容性負(fù)載反射 因?yàn)椋绻盘?hào)是線性上升邊，而且其上升時(shí)間是RT， 則dV/dt等于V/RT，則電容器阻抗為： 信號(hào)上升過程中，信號(hào)路徑與返回路徑之間好像存在 一個(gè)并聯(lián)阻抗Zcap，并引起反射。 C RT RT V C V Zcap 傳輸線與反射傳輸線與反射 66 1.14 連線中途的容性負(fù)載反射連線中途的容性負(fù)載反射 為了避免該阻抗造成嚴(yán)重問題，要求該阻抗大于傳輸 線阻抗，即ZcapZ0，開始時(shí)，Zcap5Z0 對(duì)電容器和上升時(shí)間

49、的要求用以下公式表示： 0 0 0 5 5 5 Z RT C Z C RT ZZcap max max 傳輸線與反射傳輸線與反射 67 1.14 連線中途的容性負(fù)載反射連線中途的容性負(fù)載反射 如果特性阻抗是50W，則所允許的最大電容為： 為了避免容性突變?cè)斐蛇^量的下沖噪聲，應(yīng)使為了避免容性突變?cè)斐蛇^量的下沖噪聲，應(yīng)使 電容量（電容量（pF）低于信號(hào)上升時(shí)間（）低于信號(hào)上升時(shí)間（ns）的）的4倍。倍。 這一粗略的限制說明如果系統(tǒng)上升時(shí)間為這一粗略的限制說明如果系統(tǒng)上升時(shí)間為1ns， 則不會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量的容性突變約為則不會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量的容性突變約為4pF。 RT RT C0040 505 .max

50、 傳輸線與反射傳輸線與反射 68 1.15 連線中途容性負(fù)載的時(shí)延累加連線中途容性負(fù)載的時(shí)延累加 容性負(fù)載產(chǎn)生的第一類影響是接收端的下沖噪聲。第二類影響則 是遠(yuǎn)端信號(hào)接收時(shí)間的延遲和相應(yīng)緩慢。因?yàn)殡娙菖c傳輸線如同 一個(gè)RC濾波器，所以傳輸信號(hào)的10-90上升時(shí)間將增加，信號(hào)超 過電壓門限50%的時(shí)間也會(huì)滯后。傳輸信號(hào)的10-90上升時(shí)間約為： 50%處的時(shí)延累加量稱為時(shí)延累加，約為： CZCZ/. 00 22222 9010 RCRT C/2Z0RCTD 其中： RT10-90表示信號(hào)上升時(shí)間的10%到90%，單位為ns； T表示通過電壓門限50%的時(shí)延增加量，單位為ns； Z0表示傳輸線的特

51、性阻抗，單位為W。 C表示容性突變，單位為nF。 系數(shù)1/2是因?yàn)閭鬏斁€的前一半是電容充電，后一般則使電容放電。 所以使電容充電的有效阻抗實(shí)際上是特性阻抗的1/2。 傳輸線與反射傳輸線與反射 69 1.15 連線中途容性負(fù)載的時(shí)延累加連線中途容性負(fù)載的時(shí)延累加 信號(hào)上升時(shí)間為50ps時(shí)，50W導(dǎo)線中的不同容性突變所引起的接收端 時(shí)延增量，分別為50ps、125ps和250ps。 傳輸線與反射傳輸線與反射 70 1.15 連線中途容性負(fù)載的時(shí)延累加連線中途容性負(fù)載的時(shí)延累加 例如，50W傳輸線中，對(duì)于2pF容性突變，傳輸信 號(hào)的10-90上升時(shí)間約增加502pF=100ps，50%門 限的時(shí)延累

52、加約為0.5502pF=50ps，上圖給出 了對(duì)于三個(gè)不同的容性突變，接收端信號(hào)到達(dá)50% 門限時(shí)，仿真得到的上升時(shí)間和時(shí)延。 很難使測試焊盤、接插件焊盤和過孔引起的容性 突 變 低 于 1 p F 。 每 1 p F 焊 盤 約 增 加 0.5501pF=25ps時(shí)延。 使用低特性阻抗（例如RAMBUS選擇28W）是減 小時(shí)延累加影響的一種方法。對(duì)于同樣的容性突 變，特性阻抗越低，時(shí)延累加就越小。 傳輸線與反射傳輸線與反射 71 1.16 拐角和過孔的影響拐角和過孔的影響 兩個(gè)臨近的兩個(gè)臨近的90度拐角、度拐角、 65mil寬的寬的50W W均勻傳輸線上均勻傳輸線上TDR響應(yīng)。原信號(hào)上升響應(yīng)

53、。原信號(hào)上升 時(shí)間為時(shí)間為50ps。 傳輸線與反射傳輸線與反射 72 1.16 拐角和過孔的影響拐角和過孔的影響 任何均勻互連線中90度拐角一定會(huì)造成阻抗突 變。 將90度拐角變成兩個(gè)45度拐角就可以減少這種 影響，而使用線寬固定的弧形拐角比其它任何 形狀的效果要好得多。 彎曲處的額外線寬是使拐角影響信號(hào)傳輸?shù)奈◤澢幍念~外線寬是使拐角影響信號(hào)傳輸?shù)奈?一因素，它如同一個(gè)容性突變。正是這個(gè)容性一因素，它如同一個(gè)容性突變。正是這個(gè)容性 突變引起了反射和傳輸信號(hào)的時(shí)延累加。突變引起了反射和傳輸信號(hào)的時(shí)延累加。 傳輸線與反射傳輸線與反射 73 1.16 拐角和過孔的影響拐角和過孔的影響 如果拐角處導(dǎo)

54、線的線寬固定， 那么整根導(dǎo)線的線寬沒有變化， 不會(huì)產(chǎn)生反射。可以粗略地估 計(jì)拐角處的額外金屬；右圖舉 例說明了拐角是正方形的一部 分。拐角肯定小于正方形，可 以把它粗略近似成一個(gè)正方形 金屬的一半。 拐角的額外區(qū)域 可簡單估計(jì)為正 方形的一半相當(dāng) 于均勻傳輸線的 中 途 掛 了 一 個(gè) 0.1pF的小電容 傳輸線與反射傳輸線與反射 74 1.16 拐角和過孔的影響拐角和過孔的影響 根據(jù)正方形的電容量和導(dǎo)線的單位長度電容，可 以估計(jì)出拐角的電容量： Ccorner=0.5Csq=0.5CLw 導(dǎo)線的單位長度電容與特性阻抗之間的關(guān)系為： 從而拐角處的電容量大約估計(jì)為： 0 83ZC rL w .

55、. 倍線寬2 408350 50 00 ZwZw wCC rr Lcorner 其中： CL表示單位長度電容，單位為pF/in； W表示導(dǎo)線的線寬，單位為in； Z0表示導(dǎo)線的特性阻抗； r表示介電常數(shù)。 傳輸線與反射傳輸線與反射 75 1.16 拐角和過孔的影響拐角和過孔的影響 有兩個(gè)臨近的90度拐角、65mil寬的50W均勻傳輸線實(shí)測和仿真的 TDR響應(yīng)。源信號(hào)的上升時(shí)間約為50ps。圖中基于0.2pF電容的仿 真結(jié)果明顯略微下移。 傳輸線與反射傳輸線與反射 76 1.16 拐角和過孔的影響拐角和過孔的影響 上圖對(duì)比了測量響應(yīng)和中間有200fF集總電容的均勻傳輸線 的仿真響應(yīng)。 兩者非常吻

56、合說明了兩個(gè)拐角造成的突變可以用一個(gè)200fF 電容來模擬，它同200fF電容的簡單模型非常接近。 由此可以得到一個(gè)簡單易記的經(jīng)驗(yàn)法則： 50W W傳輸線上一個(gè)拐角的電容量（傳輸線上一個(gè)拐角的電容量（fF，10-15F）約等于兩倍）約等于兩倍 線寬線寬(mil)。 對(duì)于高密度電路板中線寬為5mil的典型信號(hào)線，一個(gè)拐角的 電容量大約為10fF(0.01pF)，該電容產(chǎn)生的反射噪聲如果對(duì) 信號(hào)上升時(shí)間有影響，其數(shù)量級(jí)一定要在0.01/0.0043ps左 右 ， 而 此 電 容 引 起 的 時(shí) 延 累 加 大 約 為 0.5500.01pF=0.25ps，所以，如果信號(hào)的上升邊大于 10ps，那么

57、5mil寬導(dǎo)線上拐角的電容量不太可能對(duì)信號(hào)完整 性有很大的影響。 傳輸線與反射傳輸線與反射 77 1.16 拐角和過孔的影響拐角和過孔的影響 過孔的影響：過孔的影響： 過孔的電容量與筒狀孔壁的尺寸，以及頂層與底層的 焊盤尺寸有密切的關(guān)系，其范圍從0.1pF至大于1pF。 任何與信號(hào)線連接的過孔都可以看作是容性突變。在 高速串接中，是導(dǎo)線上信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)主要制約因素。 右圖給出了一塊10層板中 15in長的均勻?qū)Ь€上分別有 和沒有通孔時(shí)，測得的TDR 響應(yīng)，其中導(dǎo)線的阻抗為 58W，線寬為8mil，信號(hào)上 升時(shí)間約為50ps。導(dǎo)線中， SMA接插件的過孔和線上通 孔的電容量均為0.4pF。 傳輸

58、線與反射傳輸線與反射 78 1.16 拐角和過孔的影響拐角和過孔的影響 過孔可以近似為0.4pF電容，預(yù)測這單個(gè)過孔產(chǎn)生的時(shí) 延累加大約為0.5500.4=10ps，下圖說明信號(hào)的時(shí) 延比沒有過孔時(shí)多9ps，與經(jīng)驗(yàn)法則估值接近。 一個(gè)通孔和沒有孔時(shí)，沿均勻傳輸線傳播15in后的傳輸信號(hào)。圖中過孔的 時(shí)延累加為9ps。 傳輸線與反射傳輸線與反射 79 1.17 多容性負(fù)載均勻分布有載線多容性負(fù)載均勻分布有載線 如果在導(dǎo)線上分布了多個(gè)容性負(fù)載，而且間距小于上升邊的空間延 伸，則每個(gè)容性突變處引起的反射就會(huì)相互抵消。 對(duì)于信號(hào)而言，當(dāng)上升時(shí)間小于電容間的時(shí)延時(shí)，每個(gè)突變都是彼 此獨(dú)立的。當(dāng)上升時(shí)間大

59、于電容間的時(shí)延時(shí)，低阻抗區(qū)域相互交迭， 導(dǎo)線的平均阻抗下降。 在有載線上，導(dǎo)線單位長度電容增加，特性阻抗降低，時(shí)延變長。 均勻的無載傳輸線，特性阻抗、時(shí)延與單位長度電容和單位長度電 感之間的關(guān)系為： 總時(shí)延 LL CLZ 00 LLC LLenTD 00 Z0表示無載傳輸線的特性阻抗，LL表示單位長度電感，單位 為pH/in，C0L表示無載傳輸線的單位長度電容，單位為pF/in， Len表示導(dǎo)線長度，單位為in，TD0表示無載傳輸線的時(shí)延， 單位為ps。 傳輸線與反射傳輸線與反射 80 1.17 多容性負(fù)載均勻分布有載線多容性負(fù)載均勻分布有載線 若導(dǎo)線上每隔d1就有分布一個(gè)容性負(fù)載C1 ，則導(dǎo)

60、線的 單位長度分布電容從上升到C0L上升到(C0L+C1/d1)，從 而導(dǎo)線的特性阻抗和時(shí)延變?yōu)椋?0 000 011011101 0110101 1 /1/() (/)(1/() LL load LLL LoadLLL CL ZZZ CCdCCdCC d TDLen L CCdTDCC d 其中： Z0表示無載傳輸線的特性阻抗，單位為W； ZLoad0表示有載線的特性阻抗，單位為W；LL為單位長度電感，單位為pH/in； C0表示無載傳輸線單位長度電容，單位為pF/in；C1每個(gè)分立的電容量，單位為pF； D1表示兩個(gè)分立電容之間的距離，單位為in；Len為導(dǎo)線長度，單位為in； TD0表示