传输线匹配与反射

•SichuanUniversity第五章传输线与反射•1•SichuanUniversity5.0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。•2•SichuanUniversity5.0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、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•SichuanUniversity5.1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。反射信号的量值由瞬态阻抗的变化量决定，如图所示。如果第一个区域瞬态阻抗是Z1，第二个区域是Z2，则反射信号与入射信号幅值之比为（后面证明）：•42121reflectedincidentVZZVZZVreflected表示反射电压；Vincident表示入射电压；Z1表示信号最初所在区域1的瞬态阻抗；Z2表示信号进入区域2时的瞬态阻抗；表示反射系数；•SichuanUniversity5.1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。•5•SichuanUniversity5.2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。•6•SichuanUniversity5.2反射形成机理那么为什么会产生反射呢？为了满足两个重要的边界条件！在突变交界面处，无论是从区域1还是从区域2看过去，交界面两侧的电压和电流都必须是相同的。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•SichuanUniversity5.2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。•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。•8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。•SichuanUniversity5.2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：•在区域1，分界处总电流由入射电流和反射电流决定，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：•9transreflincVVVtransreflincIII•SichuanUniversity5.2反射形成机理每个区域中的阻抗值为该区域中电压与电流的比值：•10112,,incincreflrefltranstransVIZVIZVIZ代入电流表达式中得：112112()increfltransincreflincreflVZVZVZVZVZVVZ即：121212121212ZZZZVVZZZZVZZZZVincreflreflinc这就是反射系数的定义！•SichuanUniversity5.3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。•11•SichuanUniversity5.3电阻性负载的反射•12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。•SichuanUniversity5.3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。•13•SichuanUniversity5.3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•SichuanUniversity5.3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。•15信号从50W的区域1到区域2各种阻抗时的反射系数。•SichuanUniversity5.3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。•161V入射信号，终端电压值。为入射波与反射波之和。•SichuanUniversity5.3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。•17•SichuanUniversity5.4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。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。•18接有终端电阻的输出驱动器简单模型。1totsVVRRRs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。•SichuanUniversity5.4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×(3.3/1.91)7.3W。•19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。•SichuanUniversity5.5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。•20•SichuanUniversity5.5反弹图假设传输线的末端是开路，1ns后在线末端测得开路两端的总电压为两个波之和，即0.84V+0.84V=1.68V。再过1ns，0.84V反射波到达源端，再次遇到阻抗突变（内阻为10W）。源端的反射系数是(10-50)/(10+50)=-0.67，这时将有0.84V×(-0.67)=-0.56V反射回线远端。接着，这个新产生的波又会从远端反射回源端，即-0.56V电压将被反射回来。这时线远端开路处将同时测得四个波：从一次行波中得到2×0.84V=1.68V，从二次反射中得到的2×(-0.56V)=-1.12V，故总电压为0.56V。•21•SichuanUniversity5.5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。•22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。•SichuanUniversity5.5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。•23利用网格图仿真传输线远端的电压。用SPICE仿真得到。•SichuanUniversity5.5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。•24•SichuanUniversity5.6反射波形仿真当终端是阻抗较复杂的器件时，电路仿真计算比较简单。•25内阻10W驱动器，特性阻抗50W传输线，SPICE仿真中可能出现的情况。上图是信号上升时间不同时远端电压；下图是串联的源端电阻不同时远端电压。•SichuanUniversity5.6反射波形仿真内阻、传输线特性阻抗、时延以及终端阻抗可以有很多种不同的组合方式，每一种都可以仿真。上图分别给出了信号上升时间从0.1ns上升到1.5ns和源端端接阻抗从0W至90W范围变化时，远端信号波形的变化。无论是使用SPICE电路仿真器还是行为级仿真器，都可以在考虑传输线所有特性的情况下对任意传输线电路的性能进行仿真。•26•SichuanUniversity5.7使用TDR测量反射TDR(TimeDomainReflectometry)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。•27•SichuanUniversity5.7使用TDR测量反射下图为TDR内部工作情况的示意图。•28TDR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，