高速信号反射分析模型.doc

高速信号反射分析模型2008-12-11 21:14建立如图所示的高速信号反射分析模型，Vs为驱动器的源电压；Zs为等效源内阻；ZL为等效负载电阻；信号传输路径为特性阻抗为Zo的微带传输线。源的实际输出电压为Vinc，若负载阻抗ZL=ZO，则入射电压Vinc全部到达负载不会被反射；否则，当入射波到达负载时，一部分电压将被反射回来，并在传输路径上和入射电压叠加。但入射电压和反射电压互不干扰的独自传输，当反射电压到达源端时，若源内阻ZS和传输线特性阻抗不匹配，将会产生第二次反射，这样，信号就会在源端和负载端之间来回形成多次反射即反弹，直到到达稳态。图1 高速系统反射分析模型通常门电路的输入阻抗很大，在此假设传输线末端开路，即负载ZL为无穷大；传输线特性阻抗为50；时延为1 ns：驱动源信号Vs上升沿为0.1 ns；电压为3 V的阶跃波形；源内阻为25；接收端的波形应该如何？首先，信号在传输线的始端感受到的瞬态阻抗为50，则源的实际输出电压满足如下分压关系：这个2V的信号经过1 ns后到达末端，在末端发生第一次反射，反射系数为于是产生2V的反射信号返回源端，而末端电压为入射信号和反射信号电压之和，即4V。再过1 ns，2V的反射信号到达源端，又一次遇到阻抗突变，反射系数为此时发生第二次反射，产生-o.61 V的反射电压到远端，再反射，如此下去，直到稳定，通常采用反弹图来手工计算多次反射，如图2所示。图2 反弹图用信号完整性分析工具“Hyperlynx”对上述电路进行仿真，仿真电路原理如图3所示，得到的源输出电压及末端负载电压波形如图4所示。可以看出：首先，远端的电压最终逼近源电压3 V，因为末端是开路的；其次，末端电压有时大于源电压，有时小于源电压，出现振铃现象，这往往会给系统带来危害，过分的过冲会损坏器件，欠冲则会使电路逻辑长期处于不确定状态，可能导致误判。图3 反射模型Hyperlynx电路原理图图4 仿真结果但是，并不是所有的反射都会引起振铃，反射会因源内阻、负载阻抗、路径延迟和波形上升时间等的不同给系统带来不同程度的影响。如果上面的其他参数保持不变，源内阻发生变化时末端的电压波形会有怎样的表现呢？如图5所示，当源内阻小于传输线特性阻抗时会出现振铃，称为过载传输线；当源内阻大于传输线特性阻抗时会将信号上升沿拉长，称为欠载传输线；只有当二者相等时，多次反射才不会发生；最终的电压都稳定在3V，因为负载端开路。在第5章里将详细介绍为了排除源端反射所要采取的端接方法。图5 源内阻变化时的接收端电压上升沿对反射的影响简单的系统由近端驱动器、传输线和远端接收器组成，如图所示的高速系统反射分析模型。一般情况下，驱动器为低输出阻抗，接收器为高输入阻抗，信号在两端之间来回反弹。那么，中间的传输线对反射有何影响呢？假设驱动器内阻为25，末端接收器等效为开路，源信号的上升时间为0.5 ns，下面观察传输线的时间延迟分别为0.1 ns、0.5 ns和1 ns时的接收端波形，如图所示。可见，随着传输线的变长，反射噪声越趋严重。如果导线足够短，虽然反射依然会发生，但来自另一端的反射是在信号状态转换完成以前就到达，那么就被信号的边沿所掩盖，几乎看不出来，如图3所示中TD0.1 ns时。那么，如何衡量布线的长度对反射的影响，有没有一个标准呢？图 传输线长度对反射的影响根据电路设计者的经验，在没有有效端接的情况下，当传输线的时延TD大于信号上升时间RT的20时，反射的影响就不能忽视了，不然将带来信号完整性问题。瞬态阻抗及反射在高速数字系统中，所关注的是信号波形的传输及系统的瞬态响应。反射是带来波形失真的一个重要因素，其定义可简单概括为：当信号沿路径传输时，将探测或感受到路径上的瞬态阻抗。如果探测到瞬态阻抗发生改变，则一部分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播下去。然而，什么是瞬态阻抗呢？对于一分立元件的阻抗ZL，在其两端加上任一电压V，其电流为IV/ZL，故其瞬态阻抗为ZL。对于传输线，可以建立一个传输线的零阶模型来分析它。此模型由一系列的小单元组成，每个单元由一个时延和一个小电容组成，如图1所示。在此模型中，单元长度为纰，则每个单元的电容为单位长度电容Co和单元长度z的乘积：C=C0.z （331）信号沿z方向传播，信号边沿对某一电容充电，充电电流为r。根据电流的定义有由此可得出结论：传输线上的瞬态阻抗即为其特性阻抗。图1 传输线的零阶模型常见的导致瞬态阻抗发生突变的因素有：线的末端、线宽变化、拐角、分支、线交叉、桩线、返回路径上的缝隙、叠层间的过孔、测试焊盘、封装引线，以及器件输入门电容等。只要瞬态阻抗改变，就会产生发射。然而，究竟为什么信号遇到阻抗突变就会产生反射呢？产生反射是为了保证边界条件：信号到达瞬态阻抗不同的两个区域的边界时，在交界面两侧的电压及回路电流都应该是相同的。如果没有产生反射回源端的信号，要保证边界条件，必有 因此，这是一个错误的假设。为了保证系统的稳定，在边界处必须产生一个反射回源端的电压为Vref的波形，如图2所示。图2 阻抗突变及反射形成分界面两侧电压相等的条件是：入射波和反射波传播方向相反，因而其电流回路方向也