信號(hào)完整性SI學(xué)習(xí)筆記_chapter8

1、信號(hào)完整性分析chapter.8 傳輸線與反射信號(hào)沿互連線傳播時(shí)所受到的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，一部分信號(hào)將被反射，另一部分發(fā)生失真并繼續(xù)傳播下去。這是單一網(wǎng)絡(luò)中多數(shù) SI 問題的主要原因。反射與失真使信號(hào)質(zhì)量下降，看起來像振鈴。只要有瞬態(tài)阻抗突變就會(huì)發(fā)生反射，線端或者互連線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變的地方，如拐角，過孔，T型結(jié)構(gòu)，插接件和封裝處。因此設(shè)計(jì)互連線的目的在于盡可能保持信號(hào)受到的阻抗恒定。阻抗變化出的反射：將瞬態(tài)阻抗發(fā)生突變的地方稱為阻抗突變，或簡稱突變。反射的信號(hào)量由瞬態(tài)阻抗的變化量決定，若第一區(qū)域瞬態(tài)阻抗為Z1，第二個(gè)區(qū)域?yàn)閆2，反射信號(hào)與入射信號(hào)的幅值之比：其中兩區(qū)域阻抗差異越大，反射信號(hào)量

2、越大。最關(guān)心的就是反射系數(shù)，信號(hào)沿傳播線傳播時(shí)，遇到阻抗突變，將產(chǎn)生另一個(gè)波，兩波疊加，但方向是向源端。反射形成機(jī)理由上一特性，在設(shè)計(jì)高速板時(shí)，要運(yùn)用以下設(shè)計(jì)要素：使用可控阻抗互連線傳輸線末端至少有一個(gè)終端匹配使用能使多分支產(chǎn)生影響最小的布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最小化幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性產(chǎn)生反射：區(qū)域1,2交界面兩側(cè)電壓，電流應(yīng)該相等，否則兩側(cè)不等會(huì)產(chǎn)生無限大電場與磁場。V1=V2，I1=I2，而，I=V / R，當(dāng)區(qū)域阻抗不同時(shí)，關(guān)系式絕不會(huì)同時(shí)成立。為平衡系統(tǒng)，交界處區(qū)域1側(cè)產(chǎn)生反射回源端的電壓，唯一目的就是吸收入射信號(hào)和傳輸信號(hào)之間不匹配的電壓與電流。滿足的條件：且兩區(qū)域應(yīng)滿足：代換即最終，得到反射系

3、數(shù)同樣，可以推導(dǎo)出傳輸系數(shù)t沒有確切的原因知道怎么產(chǎn)生反射電壓，但知道反射電壓會(huì)遵循上述關(guān)系，電壓電流要保持連續(xù)阻性負(fù)載的反射假定傳輸線特性阻抗為50，傳輸線的終端匹配有三種情況：傳輸線的終端開路，末端未連接。末端瞬態(tài)阻抗為無窮大。反射系數(shù)為1。例：傳輸線末端與返回路徑短路，即末端阻抗為0。此時(shí)反射系數(shù)為-1，短路突變處測的電壓為（入射電壓與反射電壓之和）0V。特殊情況，終端阻抗等于傳輸線的特性阻抗，即匹配。反射系數(shù)此時(shí)為0，即無反射。當(dāng)傳輸線末端為一般性阻抗時(shí)，對其作出關(guān)系圖而終端處電壓是0V到2倍入射電壓之間，隨末端阻抗增大而增大。電源阻抗信號(hào)進(jìn)入傳輸線時(shí)，驅(qū)動(dòng)源總有內(nèi)阻。當(dāng)反射波返回源端

4、時(shí)，將源端的輸出阻抗作為瞬態(tài)阻抗，該阻抗決定了反射波再次反射回遠(yuǎn)端的情況。其中接有終端電阻的輸出驅(qū)動(dòng)器的簡單模型反彈圖進(jìn)入傳輸線的實(shí)際電壓是由源電壓及內(nèi)阻和傳輸線組成的分壓器共同決定的。源電壓1V，內(nèi)阻10，傳輸線阻抗50，時(shí)延為1ns：當(dāng)內(nèi)阻小于傳輸線特性阻抗時(shí)，源端出現(xiàn)負(fù)反射，即振鈴現(xiàn)象，SPICE仿真：重要特性：遠(yuǎn)端電壓最終逼近1V遠(yuǎn)端開路處有時(shí)可能高于源電壓，由傳輸線分布參數(shù)L與C諧振產(chǎn)生。反射波形仿真采用仿真工具能簡化繁瑣的反射計(jì)算。使用SPICE電路模擬器或行為模擬器，可以模擬任意傳輸線路電路的性能，考慮到所有的特性。用TDR測量反射除仿真獲取波形外，還可以使用時(shí)域反射計(jì)TDR的特

5、殊儀器從物理互連線角度測量反射波。當(dāng)表征自身無電壓源的無源互連線特征時(shí)，TDR是合適的測量儀器。TDR是一個(gè)快速階躍信號(hào)發(fā)生器和高速采樣示波器。發(fā)出信號(hào)400mV，經(jīng)內(nèi)部校準(zhǔn)電阻與傳輸線特性阻抗分壓，分壓出200mV，被檢測到。DUT處如果為開路，反射電壓有200mV，疊加到測試點(diǎn)，會(huì)達(dá)到400mV；DUT若為短路，反射電壓-200mV，測試點(diǎn)測出0V。當(dāng)DUT為標(biāo)準(zhǔn)50時(shí)，無反射電壓，此時(shí)測量點(diǎn)電壓不變；DUT不是標(biāo)準(zhǔn)50時(shí)，會(huì)存在多次反射，測量點(diǎn)波形會(huì)變化。對4in長，末端開路的50與15傳輸線的TDR響應(yīng)。傳輸線與非故意突變設(shè)計(jì)電路板時(shí)，遇到以下情況，信號(hào)也仍會(huì)遇到阻抗突變：1、線末端2

6、、封裝引線3、輸入門電容4、信號(hào)層間的過孔5、拐角6、樁線7、分支8、測試焊盤9、返回路徑上的間隙10、過孔區(qū)域中的頸狀11、線交叉常用三種等效電路模型：理想電容、理想電感、短傳輸線（串或并）影響信號(hào)失真的兩個(gè)最重要的參數(shù)是信號(hào)的上升時(shí)間和阻抗突變的大小。經(jīng)驗(yàn)法則：無特別指明，反射噪聲應(yīng)被控制在電壓擺幅的10%。端接處理最簡單的傳輸線電路由近端驅(qū)動(dòng)器，短的可控阻抗互連線和遠(yuǎn)端接收器組成。若信號(hào)在遠(yuǎn)端高阻抗開路端和低端低阻抗驅(qū)動(dòng)器間來回反彈。導(dǎo)線短可以掩蓋，較長時(shí)，歸結(jié)到振鈴問題。當(dāng)互連線延遲0.1ns時(shí)，所有反射都將發(fā)生。它們每0.2ns完成一次來回震蕩。簡單說，時(shí)延小于20%上升沿時(shí)間則不明

7、顯。經(jīng)驗(yàn)法則：沒有終端端接的傳輸線的最大長度約為： Len max RT （單位 in 和 ns，這里比較的是數(shù)值）點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)涞耐ㄓ枚私硬呗缘湫头椒ㄊ窃谥匾恢梅胖秒娮?，抑制至少一端的反射。源端串電阻是常用方法，端接電阻與驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻之和等于傳輸線特性阻抗。（有無端阻）源端串電阻，相對于信號(hào)上升時(shí)間，傳輸線返回時(shí)延越長，臺(tái)型架形狀持續(xù)越長（已匹配）短串接傳輸線決定短傳輸線的特征有三個(gè)：突變引起的時(shí)延（TD）、突變處特性阻抗（Z0）、信號(hào)的上升時(shí)間（RT）。阻抗突變引起信號(hào)來回震蕩產(chǎn)生反射噪聲，為保持反射噪聲低于電壓擺幅5%，就要保證特性阻抗變化率小于10%。（電路板上阻抗的典型指標(biāo)為+/- 10

8、%）在傳輸線電路中，由于不連續(xù)性的時(shí)間延遲從0%增加到40%，在傳輸線路中反射和傳輸信號(hào)。（PS：原書有漏圖，此圖為另外補(bǔ)的）短樁線傳輸線的反射對于分支很短的傳輸線，稱為樁線。在分支點(diǎn)處容易產(chǎn)生來回震蕩于該點(diǎn)到源端的反射，應(yīng)用SPICE或行為仿真器是估計(jì)樁線對信號(hào)質(zhì)量的影響的唯一可行的方法。經(jīng)驗(yàn)法則：樁線長度小于信號(hào)上升邊延伸的20%影響可忽略其中：BGA封裝中常遇到，因此設(shè)計(jì)中需要謹(jǐn)慎。容性終端負(fù)載的反射實(shí)際接收器都有約2pF的門輸入電容，另接收器封裝信號(hào)引線與返回路徑可能存在1pF的電容，若傳輸線末端排列3個(gè)存儲(chǔ)器，此處負(fù)載可能為10pF。時(shí)域中，電容阻抗：下面給出C分別2,5,10pF時(shí)

9、的傳輸信號(hào)波形：根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)時(shí)間常數(shù)e 為R,C乘積（電壓上升到1/e或37%的時(shí)間），因此10-90上升時(shí)間（經(jīng)驗(yàn)）：模型可以看成RC充放電，R為傳輸阻抗連線中途容性負(fù)載反射測試焊盤、過孔、封裝引線或者連接到互連線中途的短樁線，都有集總電容器的作用。在線性上升邊中：其中經(jīng)驗(yàn)法：電容阻抗應(yīng)大于特性阻抗5倍等效處理：若特性阻抗為50電容單位nF，RT單位ns容性時(shí)延累加容性負(fù)載產(chǎn)生的影響有兩類;接收端下沖噪聲遠(yuǎn)端信號(hào)接收時(shí)間延遲電容與傳輸線如同RC濾波器，信號(hào)的10-90上升時(shí)間將增加。50%處的時(shí)延累加量稱為時(shí)延累加（the delay adder ）傳輸線阻抗50，2、5、10pF電容對應(yīng)

10、時(shí)延累加拐角與過孔的影響互連線出現(xiàn)拐角與過孔時(shí)，會(huì)對信號(hào)質(zhì)量造成影響。下圖為2個(gè)90拐角造成的信號(hào)突變。將拐角處導(dǎo)線放大近似處理成幾個(gè)正方形粗略估計(jì)出，其中仿真采用2個(gè)100pF或者說總?cè)萘?00pF電容進(jìn)行，與實(shí)測結(jié)果非常接近。（65mil寬，50特性阻抗，r取4）經(jīng)驗(yàn)法則：50傳輸線上的一個(gè)拐角的電容量（fF）約等于2倍線寬（mil）通常板上拐角電容量影響不會(huì)太大。過孔則對信號(hào)影響挺大，10層板中15in長均勻?qū)Ь€上分別帶過孔和不帶過孔測得TDR響應(yīng)，導(dǎo)線阻抗約58，線寬8mil，信號(hào)上升時(shí)間50ps。導(dǎo)線中，SMA接插件的過孔和線上通孔電容約0.4pF。時(shí)延計(jì)算：0.5*50*0.4=1

11、0ps。實(shí)際測量9ps，非常接近。有載線當(dāng)傳輸線上存在容性負(fù)載時(shí)，信號(hào)會(huì)發(fā)生失真，上升邊也會(huì)延長，每個(gè)分立電容會(huì)降低他附近的阻抗。均勻分布容性負(fù)載的傳輸線稱為有載線。對于均勻的無載傳輸線，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：其中若導(dǎo)線每隔d1就分布一個(gè)容性負(fù)載C1，導(dǎo)線單位長度分布電容將上升為（C0l + C1/d1）從而導(dǎo)線的特性阻抗和時(shí)延變?yōu)槠渲懈行酝蛔儺a(chǎn)生的反射連接到傳輸線上的任何串聯(lián)都有相應(yīng)串聯(lián)回路電感。信號(hào)會(huì)把回路電感認(rèn)為成附加在傳輸線上的突變。信號(hào)將出現(xiàn)先升后降的非單調(diào)性變化，有可能引起誤觸發(fā)。線性上升的上升沿通過電感時(shí)的阻抗其中為確保電感阻抗低于導(dǎo)線阻抗的20%，可允許的最大感性突變約：其中在高頻時(shí)，軸向式電阻已經(jīng)不再適用，串聯(lián)回路電感有10nH，而SMT式僅為2nH，分別用上述法則，RT最短分別為1ns和0.2ns。RT低到100ps時(shí)，SMT也不適用了，需要更高性能的SMT封裝或者集成至電路板、封裝中的電阻器。其中感性突變分別為0,1,5,10nH時(shí)接收信號(hào)的時(shí)延累加：補(bǔ)償設(shè)計(jì)中常用插接件，電路中的串聯(lián)回路電感不可避免，采用補(bǔ)償?shù)姆绞降窒@樣的噪