信號(hào)完整性-傳輸線的反射與端接

15.1

多長(zhǎng)需要端接

最簡(jiǎn)單的傳輸線電路由近端驅(qū)動(dòng)器、短的可控阻抗互連和遠(yuǎn)端接收器組成。如前所述，信號(hào)將在遠(yuǎn)端高阻抗開(kāi)路端和近端低阻抗驅(qū)動(dòng)器之間往返反彈。當(dāng)導(dǎo)線很長(zhǎng)時(shí)，多次反射會(huì)引起信號(hào)完整性問(wèn)題，一般將其歸為振鈴類(lèi)問(wèn)題。如果導(dǎo)線足夠短，那么雖然依舊發(fā)生了反射，但它們卻被上升或下降沿掩蓋了，可能不會(huì)引起問(wèn)題。下圖給出了傳輸線的時(shí)延分別為信號(hào)上升邊的20%、30%和40%時(shí)，接收端波形是如何變化的。

當(dāng)互連時(shí)延大于0.1ns時(shí)，會(huì)發(fā)生多次反射，并且它們是以每0.2ns(即往返時(shí)間)完成一個(gè)往返振蕩的。如果時(shí)延遠(yuǎn)小于上升邊，那么多次反射將被掩蓋在上升沿中，幾乎無(wú)法辨認(rèn)，也就不會(huì)導(dǎo)致潛在的問(wèn)題。根據(jù)上圖可以粗略地估計(jì)出，當(dāng)時(shí)延小于上升邊的20%，反射幾乎是很小的，但如果超過(guò)20%振鈴就開(kāi)始有明顯的影響。

經(jīng)驗(yàn)法則 ：當(dāng)傳輸線時(shí)延T_D大于信號(hào)上升邊的20%，就要開(kāi)始考慮由于導(dǎo)線沒(méi)有終端端接而產(chǎn)生的振鈴噪聲。時(shí)延大于上升邊20%，振鈴噪聲會(huì)影響電路功能，必須加以控制，否則它將是造成信號(hào)完整性問(wèn)題的隱患。如果T_D小于上升邊的20%就可以忽略振鈴噪聲，傳輸線無(wú)須終端端接。

如果上升邊是1ns，則無(wú)終端端接的傳輸線的最大時(shí)延約為 20%×1ns =0.2ns 。在FR4中，信號(hào)傳播速度約為6in/ns，所以無(wú)終端端接的傳輸線的最大長(zhǎng)度約為 6in/ns×0.2ns=1.2in 。

經(jīng)驗(yàn)法則 ：為了避免信號(hào)完整性問(wèn)題，無(wú)終端端接的傳輸線的最大長(zhǎng)度約為 Len_max 其中，len_max表示無(wú)終端端接的傳輸線的最大長(zhǎng)度(單位為in)，RT表示信號(hào)上升邊(單位為ns)。無(wú)須終端端接的傳輸線的最大長(zhǎng)度(單位為in)是信號(hào)上升邊的納秒(ns)值。

若時(shí)鐘頻率是10MHz，則時(shí)鐘周期是100ns，上升邊約為10ns，那么無(wú)須終端端接的傳輸線的最大長(zhǎng)度為10in。實(shí)際上這比常見(jiàn)主板上的所有互連都長(zhǎng)。回憶時(shí)鐘頻率為10MHz的時(shí)代，雖然互連也相當(dāng)于傳輸線，但反射噪聲一直沒(méi)有造成任何問(wèn)題，因此說(shuō)互連對(duì)于信號(hào)是“透明的”，那時(shí)不必?fù)?dān)心阻抗匹配、終端端接，以及各種傳輸線效應(yīng)。

現(xiàn)在產(chǎn)品的形式?jīng)]有變，互連長(zhǎng)度也沒(méi)有變，但信號(hào)上升邊卻變短了。今天的時(shí)鐘信號(hào)頻率已經(jīng)足夠高，上升邊已經(jīng)足夠短，所以電路板上的幾乎所有互連長(zhǎng)度都不可避免地大于無(wú)須終端端接的傳輸線的最大長(zhǎng)度，因此終端端接變得非常重要。

目前，信號(hào)上升邊下降至0.1ns，為了避免振鈴噪聲造成大的影響，無(wú)須終端端接的傳輸線的最大長(zhǎng)度約為0.1in。幾乎所有互連長(zhǎng)度都大于這個(gè)值，所以對(duì)于目前和今后的所有產(chǎn)品，必須采用端接策略。

15.2

點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)涞耐ㄓ枚私硬呗?/strong>

****振鈴是由源端和遠(yuǎn)端的阻抗突變、兩端之間不斷往復(fù)的多次反射引起的，所以如果能至少在一端消除反射，就能減小振鈴噪聲。

控制傳輸線一端或兩端的阻抗以減小反射的方法稱(chēng)為線的端接。典型的方法就是在重要部位放置一個(gè)或多個(gè)電阻器。

一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一個(gè)接收器的情況稱(chēng)為點(diǎn)到點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下圖示例了端接點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的4種方式。最常用的方法是將電阻器串聯(lián)在驅(qū)動(dòng)器端，這稱(chēng)為源端串聯(lián)端接。端接電阻與驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻之和應(yīng)等于傳輸線的特性阻抗。

如果驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻為10Ω，傳輸線特性阻抗為50Ω，那么端接電阻器約為40Ω。假設(shè)端接電阻器已經(jīng)被放好，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的1V信號(hào)就會(huì)遇到由50Ω總電阻和50Ω?jìng)鬏斁€構(gòu)成的分壓器。這樣，到達(dá)傳輸線的將是0.5V。

粗略一看，好像一半的電壓不足以作為觸發(fā)信號(hào)使用。然而，當(dāng)0.5V信號(hào)到達(dá)開(kāi)路端，即傳輸線的遠(yuǎn)端時(shí)，它遇到又一次阻抗突變。開(kāi)路端的反射系數(shù)為1，0.5V入射信號(hào)以0.5V的振幅被反射回源端。在遠(yuǎn)端，開(kāi)路處的總電壓為0.5V入射電壓與0.5V反射電壓之和，即1V。

0.5V反射信號(hào)返回源端到達(dá)串聯(lián)端接電阻器時(shí)，往源端看進(jìn)去的阻抗就是40Ω串聯(lián)電阻加上10Ω內(nèi)阻，即50Ω。而傳輸線的特性阻抗也是50Ω，信號(hào)受到的瞬時(shí)阻抗沒(méi)有發(fā)生改變，不會(huì)產(chǎn)生反射。此時(shí)，信號(hào)被端接電阻器和內(nèi)阻完全吸收。

這時(shí)，在遠(yuǎn)端看到的是1V信號(hào)而沒(méi)有振鈴。下圖給出了當(dāng)有和沒(méi)有40Ω源端串聯(lián)端接電阻器時(shí)，傳輸線遠(yuǎn)端的波形。

在從驅(qū)動(dòng)器出發(fā)的近端，緊接源端串聯(lián)端接電阻器之后測(cè)得的初始電壓正是進(jìn)入傳輸線的入射電壓，大約為信號(hào)電壓的一半。而在源端必須等待反射波的返回，才能使此處的總電壓達(dá)到全電壓擺幅。

等待的時(shí)間等于往返時(shí)間，所以串聯(lián)電阻器之后的源端電壓將形成臺(tái)階架形狀。相對(duì)于信號(hào)的上升邊，傳輸線的往返時(shí)延越長(zhǎng)，臺(tái)階架形狀就持續(xù)得越長(zhǎng)。這是源端串聯(lián)端接傳輸線的基本特性，下圖給出了源端測(cè)得的電壓。

只要在源端附近沒(méi)有其他接收器接收該臺(tái)階架形狀，就不會(huì)引發(fā)問(wèn)題。當(dāng)其他器件連接在源端附近時(shí)，臺(tái)階架形狀就可能會(huì)造成問(wèn)題，這時(shí)就需要采用其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和端接匹配方案。

15.3

短串聯(lián)傳輸線的反射

電路板上的線條常常要通過(guò)過(guò)孔區(qū)域或在元件密集區(qū)域布線。此時(shí)線寬必然變窄，收縮成頸狀。如果傳輸線上有這么一小段的線寬變化，特性阻抗一般就是變大的。那么，多長(zhǎng)的線段和多大的阻抗改變會(huì)造成問(wèn)題呢?

決定短傳輸線段對(duì)信號(hào)影響的3個(gè)特征是：突變引起的時(shí)延(T_D)、突變處的特性阻抗(Z_0)及信號(hào)的上升邊(RT)。如果突變時(shí)延大于上升邊，從電氣上講，突變處就算是比較長(zhǎng)的，反射系數(shù)的作用就很明顯。反射系數(shù)的值直接影響突變處前端的反射。

阻抗突變引起了信號(hào)往返振蕩，從而形成了反射噪聲。這就要求設(shè)計(jì)特性阻抗均勻的互連。為了保持反射噪聲低于電壓擺幅5%需要保證特性阻抗的變化率小于10%。這就是為什么電路板上阻抗的典型指標(biāo)為±10%。

在中間插入一段異變傳輸線時(shí)，無(wú)論在第一個(gè)界面處發(fā)生的反射如何，它總是與第二個(gè)界面處發(fā)生的反射大小相等，方向相反。因?yàn)閆_1和Z_2值互換了。這樣，如果突變段長(zhǎng)度很短，源于兩端的反射就能互相抵消，對(duì)信號(hào)完整性的影響就可以忽略。下圖為傳輸線上有25Ω短突變時(shí)的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。如果突變處的時(shí)延小于信號(hào)上升邊20%它就不會(huì)造成問(wèn)題。從而得到了與前面相同的經(jīng)驗(yàn)法則，即可容許的阻抗突變的最大長(zhǎng)度為 Len_max 。其中，len_max表示阻抗突變段的最大長(zhǎng)度(單位為in)，RT表示信號(hào)上升邊(單位為ns)。

如果突變段的時(shí)延小于信號(hào)上升邊20%則突變對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成的影響可以忽略。這就是經(jīng)驗(yàn)法則：突變段的長(zhǎng)度(單位為in)應(yīng)小于信號(hào)上升邊(單位為ns)。

例如，如果信號(hào)上升邊為0.5ns，則長(zhǎng)度小于0.5in的頸狀就不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問(wèn)題。

15.4

短并聯(lián)傳輸線的反射

我們常常在一段均勻傳輸線上接一個(gè)分支，以使信號(hào)去往多個(gè)點(diǎn)扇出。如果分支很短，就稱(chēng)其為樁線。樁線通常是球柵陣列封裝過(guò)程的產(chǎn)物。用總線排將所有的引腳匯流在一起，從而使鍵合用的壓焊塊比較容易鍍上金。制造后期再將總線排斷開(kāi)，這樣就留下了一些短樁線連接到各個(gè)信號(hào)線上。

因?yàn)楸仨毧紤]到所有的反射，分析樁線的影響就變得很復(fù)雜。信號(hào)離開(kāi)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，所以將產(chǎn)生的負(fù)反射返回源端。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?gòu)姆种c(diǎn)反射到樁線末端，這樣就會(huì)在樁線上往返振蕩。同時(shí)，每當(dāng)與分支點(diǎn)發(fā)生交界時(shí)，樁線中的部分信號(hào)將返回源端和遠(yuǎn)端。每個(gè)交界處都是一個(gè)反射點(diǎn)。

決定樁線對(duì)信號(hào)影響程度的兩個(gè)重要特征是信號(hào)的上升邊和樁線的長(zhǎng)度。在下面這個(gè)示例中，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。下圖給出了當(dāng)樁線長(zhǎng)度從上升邊的20%到60%時(shí)，仿真得到的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。

例如，如果驅(qū)動(dòng)器的上升邊是1ns，則可以使用時(shí)延小于0.2ns的樁線，其長(zhǎng)度約為1 in。我們又得到一條經(jīng)驗(yàn)法則，即 Len_stub?max 。其中，len_stub?max表示樁線可容許的最大長(zhǎng)度(單位為in)，RT表示信號(hào)上升邊(單位為ns)。

例如，若上升邊為1ns，就要確保樁線長(zhǎng)度小于1in。如果上升邊為0.5ns，樁線就要短于0.5in。這很明顯，隨著上升邊變短，為控制樁線足夠短以使設(shè)計(jì)不影響信號(hào)質(zhì)量，會(huì)變得愈加困難。

對(duì)于球柵陣列封裝，在制造中常常不可避免地使用電鍍樁線，這些樁線一般都小于0.25in。如果信號(hào)上升邊大于0.25ns,這些電鍍樁線就不會(huì)引發(fā)問(wèn)題，但如果上升邊低于0.25ns,它們就必將造成問(wèn)題，這時(shí)必須另選沒(méi)有電鍍樁線的封裝制造工藝。