信號(hào)完整性之反射(三)

6 使用TDR測(cè)試反射

TDR稱(chēng)為時(shí)域反射計(jì)，可以用來(lái)測(cè)量本身沒(méi)有電壓源的無(wú)源互連線(xiàn)特性。下圖是TDR的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。源端輸出一個(gè)35ps~150ps的快速上升沿信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)50R的校準(zhǔn)電阻和一段很短的50R同軸電纜線(xiàn)，到達(dá)設(shè)備的前面板連接端子。此連接端子連接到DUT（待測(cè)無(wú)源傳輸線(xiàn)）。高速采樣放大器測(cè)試紅色點(diǎn)的電壓值。

例如源端在發(fā)射信號(hào)之前，紅點(diǎn)處的電壓是0V。當(dāng)一個(gè)400mV的脈沖信號(hào)從源端輸出到達(dá)紅點(diǎn)時(shí)，50R校準(zhǔn)電阻和50R的同軸電纜分壓，使紅點(diǎn)處的電壓為400mV x 50R/(50+50)R=200mV。高速采樣放大器記錄下此200mV。剩余的200mV繼續(xù)向前傳輸。

①如果DUT是一個(gè)50R的終端，則沒(méi)有反射發(fā)生。紅點(diǎn)處不會(huì)收到反射信號(hào)，只有最初的200mV原始信號(hào)。

②如果DUT是開(kāi)路，在DUT處有200mV的反射，這個(gè)反射信號(hào)會(huì)立刻反射回到紅點(diǎn)處，此時(shí)紅點(diǎn)處的電壓是400mV。

③如果DUT是短路，在DUT處有-200mV的反射，這個(gè)反射信號(hào)會(huì)立刻反射回到紅點(diǎn)處，此時(shí)紅點(diǎn)處的電壓是0mV。

因此TDR就是基于紅點(diǎn)處的電壓，知道DUT的阻抗是多少。

如下是對(duì)上述幾種情況的仿真：仿真結(jié)果和上述情況一致。

7 傳輸線(xiàn)的非故意阻抗突變

即使PCB設(shè)計(jì)時(shí)使用阻抗可控的PCB走線(xiàn)，還是有一些因素會(huì)造成阻抗突變，進(jìn)而造成反射，影響信號(hào)質(zhì)量。例如：

封裝引線(xiàn)

輸入門(mén)電容

信號(hào)層間的過(guò)孔

走線(xiàn)拐角

走線(xiàn)分支和樁線(xiàn)

測(cè)試焊盤(pán)

返回路徑上的間隙

走線(xiàn)交叉

信號(hào)的上升時(shí)間和阻抗突變的大小，對(duì)信號(hào)失真程度的影響很大。電容和電感的阻抗是由電壓、電流的瞬時(shí)變化率決定（上升或者下降時(shí)間）?，F(xiàn)實(shí)中，設(shè)計(jì)一個(gè)沒(méi)有反射的互連線(xiàn)是不可能的。只能將反射噪聲設(shè)計(jì)的低于電路允許的噪聲范圍。通常反射噪聲應(yīng)該被控制在電壓振幅的10%之內(nèi)，要求嚴(yán)苛的是小于5%。

終端阻抗是電阻時(shí)，阻抗是常數(shù)，很容易計(jì)算得到反射電壓。當(dāng)終端是較復(fù)雜的元件時(shí)（例如電感、電容等），計(jì)算就沒(méi)那么簡(jiǎn)單了。用仿真工具會(huì)比較好。

8 何時(shí)需要端接

最基本的傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu)是有一個(gè)驅(qū)動(dòng)端、短的可控傳輸線(xiàn)、接收器（負(fù)載）組成。信號(hào)通常會(huì)在低阻抗驅(qū)動(dòng)端和高阻抗負(fù)載端之間來(lái)回反貪。當(dāng)傳輸線(xiàn)很長(zhǎng)時(shí)，多次反射會(huì)引起信號(hào)完整性問(wèn)題，表現(xiàn)為振鈴。如果傳輸線(xiàn)很短，即使發(fā)生反射也被上升沿或者下降沿覆蓋，有可能不會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。

當(dāng)時(shí)延小于上升時(shí)間的20%時(shí)，反射幾乎看不見(jiàn)。當(dāng)時(shí)延超過(guò)上升時(shí)間的20%時(shí)，振鈴就會(huì)明顯了。因此當(dāng)時(shí)延TD>Tr x 20%時(shí)，就要考慮在傳輸線(xiàn)上進(jìn)行端接了。

例如某信號(hào)的上升時(shí)間是Tr（ns），某段走線(xiàn)的長(zhǎng)度時(shí)L（in），因?yàn)獒槍?duì)FR4的走線(xiàn)，信號(hào)速度是6in/ns，信號(hào)延遲是TD，因此

即當(dāng)走線(xiàn)長(zhǎng)度L大于1.2倍的Tr時(shí)，需要考慮端接。當(dāng)走線(xiàn)長(zhǎng)度L小于1.2倍時(shí)，可以考慮不端接。

下圖是對(duì)不同時(shí)延的仿真。TL1取不同的長(zhǎng)度，造成的信號(hào)時(shí)延不同。

如下這種疊層的微帶線(xiàn)，TL1不同長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的信號(hào)延遲分別是：

看仿真結(jié)果，長(zhǎng)度越短，延遲越少，信號(hào)越?jīng)]有振鈴。

9 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)涞耐ㄓ枚私?/p>

振鈴是由于源端和負(fù)載端阻抗突變，造成信號(hào)在兩端之間來(lái)回多次反射引起的。減小任何一端的反射，都可以減小振鈴噪聲。控制傳輸線(xiàn)在一端或者兩端的阻抗，從而減小反射的方法稱(chēng)為傳輸線(xiàn)的端接。通常是在傳輸線(xiàn)的某些位置放置一個(gè)或者多個(gè)電阻。

一個(gè)源端一個(gè)負(fù)載端，相互連接起來(lái)的稱(chēng)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（一）下圖是四種常見(jiàn)的端接方式。

（二）源端串聯(lián)端接的仿真--終端波形

針對(duì)第一種情況，如果源端內(nèi)阻是10R，傳輸線(xiàn)阻抗是50R，在源端串聯(lián)一個(gè)40R的電阻是合適的。例如源端輸出1V的入射電壓，此電源被50R總電阻和50R的傳輸線(xiàn)分壓，因此有0.5V的電壓進(jìn)入傳輸線(xiàn)。當(dāng)這0.5V的電壓到達(dá)傳輸線(xiàn)的開(kāi)路端時(shí)，它會(huì)被反射，產(chǎn)生反射電壓0.5V。因此在負(fù)載端0.5V的輸入電壓和0.5V的反射電壓，合成1V的電壓。同時(shí)0.5V的反射電壓向源端反射回去，在源端看到的是40R+10R的，合計(jì)50R的電阻，傳輸線(xiàn)也是50R的電阻，因此沒(méi)有瞬態(tài)阻抗變化，不會(huì)發(fā)生反射。

如下圖是對(duì)源端串聯(lián)仿真。R1分別取值0R、10R、20R、30R、40R、50R。

看仿真結(jié)果，R2=20R或者R2=30R時(shí)，負(fù)載端波形的振鈴最小。如果對(duì)R1取值更精細(xì)（在20~30歐姆之間的某個(gè)值），應(yīng)該可以得到振鈴更小的波形。

（三）源端串聯(lián)端接的仿真--源端波形

關(guān)于源端波形的臺(tái)階，分析如下。在源端的串聯(lián)電阻之后測(cè)量到的初始電壓正是進(jìn)入傳輸線(xiàn)的入射電壓，大約為信號(hào)電壓的一半。源端在等待反射波的到來(lái)，只有反射波回到源端，才會(huì)使源端的總電壓達(dá)到全電壓擺幅。源端等待的時(shí)間就是信號(hào)往返時(shí)間。因此等待時(shí)間越久，源端串聯(lián)電阻上測(cè)量到的臺(tái)階時(shí)間越長(zhǎng)。

如下是仿真結(jié)果，TL1長(zhǎng)度分別是1in、2in、3in、4in時(shí)，R1和TL1中間那個(gè)點(diǎn)的電壓波形。

和上述論述一致，TL1越短，源端等待反射波形的時(shí)間越短，R1和TL1中間那個(gè)點(diǎn)的電壓波形的臺(tái)階越不明顯（橙色波形）。TL1越長(zhǎng)，源端等待反射波形的時(shí)間越長(zhǎng)，R1和TL1中間那個(gè)點(diǎn)的電壓波形的臺(tái)階越明顯（紫色波形。）

如果電路建構(gòu)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)洌炊诵盘?hào)上有臺(tái)階沒(méi)什么關(guān)系。如果不是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)，除了源端和負(fù)載端，還有第三個(gè)芯片在電路上，那么這個(gè)臺(tái)階可能會(huì)影響到第三個(gè)芯片（需要測(cè)量信號(hào)在第三個(gè)芯片管腳上的波形，才能知道第三個(gè)芯片是否被影響到？）。如果第三個(gè)芯片被影響到，源端串聯(lián)端接的方案就不可行了，需要使用其他端接方式（例如終端端接）。