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信號(hào)振鈴是怎么產(chǎn)生的呢?

Mijia329 ? 來源:電子匯 ? 2023-02-13 16:51 ? 次閱讀

信號(hào)振鈴怎么產(chǎn)生的?

信號(hào)的反射可能會(huì)引起振鈴現(xiàn)象,一個(gè)典型的信號(hào)振鈴如下圖所示。

dcbbf4b8-a9e4-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

那么信號(hào)振鈴是怎么產(chǎn)生的呢? 前面講過,如果信號(hào)傳輸過程中感受到阻抗的變化,就會(huì)發(fā)生信號(hào)的反射。這個(gè)信號(hào)可能是驅(qū)動(dòng)端發(fā)出的信號(hào),也可能是遠(yuǎn)端反射回來的反射信號(hào)。根據(jù)反射系數(shù)的公式,當(dāng)信號(hào)感受到阻抗變小,就會(huì)發(fā)生負(fù)反射,反射的負(fù)電壓會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生下沖。

信號(hào)在驅(qū)動(dòng)端和遠(yuǎn)端負(fù)載之間多次反射,其結(jié)果就是信號(hào)振鈴。大多數(shù)芯片的輸出阻抗都很低,如果輸出阻抗小于PCB走線的特性阻抗,那么在沒有源端端接的情況下,必然產(chǎn)生信號(hào)振鈴。

信號(hào)振鈴的過程可以用反彈圖來直觀的解釋。假設(shè)驅(qū)動(dòng)端的輸出阻抗是10歐姆,PCB走線的特性阻抗為50歐姆(可以通過改變PCB走線寬度,PCB走線和內(nèi)層參考平面間介質(zhì)厚度來調(diào)整),為了分析方便,假設(shè)遠(yuǎn)端開路,即遠(yuǎn)端阻抗無窮大。驅(qū)動(dòng)端傳輸3.3V電壓信號(hào)。我們跟著信號(hào)在這條傳輸線中跑一個(gè),看看到底發(fā)生了什么?為分析方便,忽略傳輸線寄生電容和寄生電感的影響,只考慮阻性負(fù)載。(如下圖為反射示意圖)

dcd45c24-a9e4-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

第1次反射:信號(hào)從芯片內(nèi)部發(fā)出,經(jīng)過10歐姆輸出阻抗和50歐姆PCB特性阻抗的分壓,實(shí)際加到PCB走線上的信號(hào)為A點(diǎn)電壓3.3*50/(10 50)=2.75V。傳輸?shù)竭h(yuǎn)端B點(diǎn),由于B點(diǎn)開路,阻抗無窮大,反射系數(shù)為1,即信號(hào)全部反射,反射信號(hào)也是2.75V。此時(shí)B點(diǎn)測(cè)量電壓是2.75 2.75=5.5V。

第2次反射:2.75V反射電壓回到A點(diǎn),阻抗由50歐姆變?yōu)?0歐姆,發(fā)生負(fù)反射,A點(diǎn)反射電壓為-1.83V,該電壓到達(dá)B點(diǎn),再次發(fā)生反射,反射電壓-1.83V。此時(shí)B點(diǎn)測(cè)量電壓為5.5-1.83-1.83=1.84V。

第3次反射:從B點(diǎn)反射回的-1.83V電壓到達(dá)A點(diǎn),再次發(fā)生負(fù)反射,反射電壓為1.22V。該電壓到達(dá)B點(diǎn)再次發(fā)生正反射,反射電壓1.22V。此時(shí)B點(diǎn)測(cè)量電壓為1.84 1.22 1.22=4.28V。

第4次反射:。。。。。。。。。

第5次反射:。。。。。。。。。

如此循環(huán),反射電壓在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間來回反彈,而引起B(yǎng)點(diǎn)電壓不穩(wěn)定。觀察B點(diǎn)電壓:5.5V->1.84V->4.28V->……,可見B點(diǎn)電壓會(huì)有上下波動(dòng),這就是信號(hào)振鈴。 信號(hào)振鈴根本原因是負(fù)反射引起的,其罪魁禍?zhǔn)兹匀皇亲杩棺兓质亲杩梗≡谘芯啃盘?hào)完整性問題時(shí),一定時(shí)時(shí)注意阻抗問題。

負(fù)載端信號(hào)振鈴會(huì)嚴(yán)重干擾信號(hào)的接受,產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤,必須減小或消除,因此對(duì)于長(zhǎng)的傳輸線必須進(jìn)行阻抗匹配端接。

信號(hào)反射

信號(hào)沿傳輸線向前傳播時(shí),每時(shí)每刻都會(huì)感受到一個(gè)瞬態(tài)阻抗,這個(gè)阻抗可能是傳輸線本身的,也可能是中途或末端其它元件的。對(duì)于信號(hào)來說,它不會(huì)區(qū)分到底是什么,信號(hào)所感受到的只有阻抗。

如果信號(hào)感受到的阻抗是恒定的,那么它就會(huì)正常向前傳播,只要感受到的阻抗發(fā)生變化,不論是什么引起的(可能是中途遇到的電阻,電容,電感,過孔,PCB轉(zhuǎn)角和接插件),信號(hào)都會(huì)發(fā)生反射。

那么有多少被反射回傳輸線的起點(diǎn)?

衡量信號(hào)反射量的重要指標(biāo)是反射系數(shù),表示反射電壓和原傳輸信號(hào)電壓的比值。反射系數(shù)定義為:

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其中:Z1為變化前的阻抗,Z2為變化后的阻抗。假設(shè)PCB線條的特性阻抗為50歐姆,傳輸過程中遇到一個(gè)100歐姆的貼片電阻,暫時(shí)不考慮寄生電容電感的影響,把電阻看成理想的純電阻,那么反射系數(shù)為:

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信號(hào)有1/3被反射回源端。如果傳輸信號(hào)的電壓是3.3V電壓,反射電壓就是1.1V。

純電阻性負(fù)載的反射是研究反射現(xiàn)象的基礎(chǔ),阻性負(fù)載的變化無非是以下四種情況:阻抗增加有限值、減小有限值、開路(阻抗變?yōu)闊o窮大)、短路(阻抗突然變?yōu)?)。

2.1 阻抗增加有限值:

反射電壓上面的例子已經(jīng)計(jì)算過了。這時(shí),信號(hào)反射點(diǎn)處就會(huì)有兩個(gè)電壓成分,一部分是從源端傳來的3.3V電壓,另一部分是反射電壓1.1V,那么反射點(diǎn)處的電壓為二者之和,即4.4V。

2.2 阻抗減小有限值:

仍按上面的例子,PCB線條的特性阻抗為50歐姆,如果遇到的電阻是30歐姆,則反射系數(shù)為ρ=(30-50)/(30 50)=-0.25,反射系數(shù)為負(fù)值,說明反射電壓為負(fù)電壓,值為3.3V*(-0.25V)=-0.825V,此時(shí)反射點(diǎn)電壓為3.3V (-0.825V)=2.475V。

2.3 開路:

開路相當(dāng)于阻抗無窮大,反射系數(shù)按公式計(jì)算為1。即反射電壓3.3V。反射點(diǎn)處電壓為6.6V。可見,在這種極端情況下,反射點(diǎn)處電壓翻倍了。

2.4 短路:

短路時(shí)阻抗為0,電壓一定為0。按公式計(jì)算反射系數(shù)為-1,說明反射電壓為-3.3V,因此反射點(diǎn)電壓為0。

計(jì)算非常簡(jiǎn)單,重要的是必須知道,由于反射現(xiàn)象的存在,信號(hào)傳播路徑中阻抗發(fā)生變化的點(diǎn),其電壓不再是原來傳輸?shù)碾妷骸_@種反射電壓會(huì)改變信號(hào)的波形,從而可能會(huì)引起信號(hào)完整性問題。這種感性的認(rèn)識(shí)對(duì)研究信號(hào)完整性及設(shè)計(jì)電路板非常重要,必須在頭腦中建立起這個(gè)概念。





審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:談一談信號(hào)的振鈴是如何產(chǎn)生的?

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