信號(hào)反射研究及解決方案

信號(hào)反射研究及解決方案

趙燦，林建輝

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

摘要：現(xiàn)代高速電路設(shè)計(jì)中信號(hào)完整性問(wèn)題常常造成嚴(yán)重的電路故障，導(dǎo)致系統(tǒng)不能發(fā)揮正常功能。研究了信號(hào)反射形成的機(jī)理，分析了改善反射的解決措施，在某一系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期采用了Altium Designer信號(hào)完整性分析工具進(jìn)行了初步仿真，系統(tǒng)DM網(wǎng)絡(luò)處信號(hào)發(fā)生畸變，影響系統(tǒng)正常工作，根據(jù)分析采用了不同的端接方法改善信號(hào)傳輸，最終表明串阻端接能有效解決信號(hào)畸變問(wèn)題，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

關(guān)鍵詞:信號(hào)完整性反射端接阻抗匹配

中圖分類(lèi)號(hào)：TN41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：趙燦(1988- )，男，碩士研究生，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)與控制。

收稿日期：2015-03-10

Analysis and solution of signal reflection

ZHAO Can，LIN Jianhui

Abstract:Signal integrity in modern high speed circuit design often cause serious circuit fault. The paper studies the mechanism of signal reflection and introduces some solutions to reduce the reflection. A system was simulated with the analysis tool of Altium Designer at the beginning of the design. Signal in DM network was distorted and it made the system work improperly. Different methods of termination were used to improve signal transmission. The result indicates that the series termination is effective to reduce the signal distortion.

Keywords:signal integrity; reflection; termination; impedance matching

0引言

現(xiàn)代微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，各種高速、高密度、小型化的集成電路不斷出現(xiàn)。隨著信號(hào)頻率迅速提高，信號(hào)跳變時(shí)間不斷縮短，PCB中互連導(dǎo)線特性對(duì)信號(hào)波形的影響越來(lái)越大。這時(shí)，導(dǎo)線必須以具有分布式參數(shù)的參數(shù)線進(jìn)行考慮，電路設(shè)計(jì)中要面對(duì)如延遲、反射、串?dāng)_等方面的信號(hào)完整性問(wèn)題。本文基于PCB設(shè)計(jì)的需要對(duì)傳輸線中信號(hào)反射問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了相關(guān)解決措施以改善系統(tǒng)中信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

1反射機(jī)理概述

PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中信號(hào)流經(jīng)過(guò)孔、接插件、線寬突變時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到振鈴等現(xiàn)象，總結(jié)發(fā)現(xiàn)，這些結(jié)構(gòu)都引起了線路阻抗的變化。信號(hào)反射和互連線的阻抗密切相關(guān)，實(shí)際上反射的最直接原因就是互連線阻抗發(fā)生了突然變化。信號(hào)以電磁波形式在導(dǎo)線中傳輸，不計(jì)傳輸線損耗，考慮單位長(zhǎng)度傳輸線的電感和電容，建立圖1所示的傳輸線模型[1]。

圖1　單位長(zhǎng)度傳輸線模型

傳輸線上的電壓和電流是時(shí)間t和位置x的函數(shù)，沿外部環(huán)路寫(xiě)出基爾霍夫電壓定律為：

(1)

兩邊同時(shí)除以Δx并令Δx趨近于0取極限可得第一個(gè)傳輸線方程

(2)

同理可得到第二個(gè)傳輸線方程

(3)

這兩個(gè)方程同時(shí)含有V和I,對(duì)這兩個(gè)方程去耦可得到兩個(gè)非耦合方程

(4)

(5)

非耦合二階方程的解為

(6)

(7)

(8)

定義α為反射系數(shù)，式(8)表明在特性阻抗突變處會(huì)發(fā)生信號(hào)反射，且反射信號(hào)與入射信號(hào)的關(guān)系與突變前后的阻抗有關(guān)。式(8)在信號(hào)完整性分析中經(jīng)常使用，只要確定了阻抗的變化情況，就可以知道信號(hào)有多大的反射，與入射信號(hào)疊加就可確定傳輸線上的電壓波形。

2軟件仿真分析

在實(shí)際設(shè)計(jì)中大多數(shù)電路是由復(fù)雜阻抗器件構(gòu)成，要計(jì)算反射點(diǎn)前后的阻抗比較困難，通過(guò)軟件仿真來(lái)完成阻抗及反射系數(shù)計(jì)算可大大減輕工作量。本文采用Altim Designer軟件進(jìn)行信號(hào)完整性仿真分析。

Altium Designer包含一個(gè)高級(jí)信號(hào)完整性仿真器,能分析PCB設(shè)計(jì)并檢查設(shè)計(jì)參數(shù)，測(cè)試過(guò)沖、前沖、線路阻抗和線路斜率等問(wèn)題。它使用經(jīng)典的傳輸線理論和IBIS模型作為仿真輸入，利用優(yōu)化的算法產(chǎn)生仿真結(jié)果[4-5]。

IBIS模型是一種基于V-I曲線的對(duì)I/O緩沖器進(jìn)行快速建模的方法，是一種反映元件驅(qū)動(dòng)和接受特性的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的文件格式來(lái)記錄驅(qū)動(dòng)源輸出阻抗、上升/下降時(shí)間及輸入負(fù)載等參數(shù)，適合于做仿真和反射等效應(yīng)的計(jì)算及仿真。

在某無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)其DM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析，激勵(lì)信號(hào)為40ns方波信號(hào)，接收端信號(hào)如圖2。

圖2　測(cè)試信號(hào)50ns方波

從圖中可以看出，P1-2引腳處信號(hào)產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象，在信號(hào)上升過(guò)程中反射信號(hào)對(duì)原始信號(hào)的影響已比較大，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸波形產(chǎn)生一定影響，可能使器件產(chǎn)生誤操作，當(dāng)信號(hào)頻率進(jìn)一步提高時(shí)，這種影響也會(huì)越來(lái)越明顯。

一般情況下，信號(hào)發(fā)送端輸出阻抗較低，而接收端輸入阻抗一般都遠(yuǎn)高于傳輸線特性阻抗。設(shè)計(jì)中可通過(guò)端接的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)送端和接收端的阻抗匹配。常用的端接方式有串阻端接、電源端并聯(lián)端接、接地端并聯(lián)端接、戴維南端接、AC端接等[6-7]。Altium Designer中提供了8種信號(hào)終端補(bǔ)償方式，在電路設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體問(wèn)題仿真分析采用合適的端接方式，對(duì)無(wú)線傳感器的DM網(wǎng)絡(luò)采用不同的端接方式，接收端信號(hào)波形如圖。

不同的端接方式效果不同。串連端接可以消除過(guò)沖現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)高低電平影響較小。圖3中串接50Ω電阻消除了振鈴現(xiàn)象，同時(shí)未影響工作電平；VCC并聯(lián)端接可以提高驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)會(huì)拉高低電平電壓，并增加電源消耗，圖4中并聯(lián)到VCC端接也消除了信號(hào)的波動(dòng)，但拉高了低電壓電平；接地端接不會(huì)增加電源負(fù)擔(dān)，但是會(huì)拉低高電平電壓，圖5中接地端接消除波動(dòng)，但高電平下降到4 V；電容并聯(lián)端接也可以有效消除信號(hào)波動(dòng)，但會(huì)導(dǎo)致上升沿或下降沿變得平坦，導(dǎo)致上升時(shí)間和下降時(shí)間增加。

圖3　串聯(lián)端接

圖4　并聯(lián)到VCC端接

圖5　并聯(lián)到地端接

在傳感器的DM網(wǎng)絡(luò)處最終采用的是電阻串聯(lián)端接方式，軟件仿真中能有效消除信號(hào)波動(dòng)，同時(shí)對(duì)高低電平無(wú)影響，在樣品設(shè)計(jì)完成后DM網(wǎng)絡(luò)處數(shù)據(jù)傳輸正常，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤現(xiàn)象。

端接是電路設(shè)計(jì)過(guò)程中解決反射問(wèn)題行之有效的方法，理論上來(lái)說(shuō)，如果在傳輸線的任何一端消除這種阻抗突變，反射也隨之消失[8]。因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以先通過(guò)軟件仿真尋求改善反射現(xiàn)象的端接策略。

3總結(jié)

信號(hào)反射是電路設(shè)計(jì)時(shí)常常會(huì)面對(duì)的問(wèn)題，本文介紹了反射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)，反射的根本原因是阻抗發(fā)生突變，突變使前向行波發(fā)生反射產(chǎn)生了后向行波，后向行波疊加到前向行波上導(dǎo)致了信號(hào)畸變；展示了軟件仿真分析在研究信號(hào)反射問(wèn)題中的優(yōu)越性，在某無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)中使用軟件先進(jìn)行了仿真，改善了DM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。最終傳感器樣品生產(chǎn)成功后能正常工作，DM網(wǎng)路處數(shù)據(jù)傳輸正常。

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林建輝(1964-)，男，教授。