信号在传输的过程中,往往不是标准的矩形波信号,尤其在高速信号中,保证信号的完整性是十分重要的,影响信号完整性最主要的因素之一,就是阻抗不匹配,通常表现在传输线上,而阻抗不匹配直接导致信号的反射,反射信号与原始信号叠加,就会产生过冲、回沟、台阶等信号完整性问题。
1:什么是过冲
过冲是振铃的一部分,信号电平发生跳变后,第一个峰值电压或谷值电压超过设定的标准电压,主要表现为一个尖端脉冲。
一般描述过冲的影响,主要考虑:
1:过冲的最大幅值
2:过冲的持续时间
3:过冲的发生频率
这三个要素。
2:过冲的危害
1、当过冲幅值较大或持续时间较长时,可能回导致电路元器件的失效
2、振铃产生的电压波动,可能回多次跨越逻辑电平的电压阈值,造成接收端的误判
3:过冲产生原因
本质原因是:传输线阻抗不匹配造成信号的反射,多个反射信号和原信号叠加导致过冲和振铃。
3.1:反射及反射系数
如下图所示,设区域1阻抗为Z1,区域2阻抗为Z2,信号经过两个阻抗不同的区域,在交界处A处,电压和电流不能产生突变(若电压不连续,将产生无穷大的电场;若电流不连续,将产生无穷大的磁场)。
若Z1≠ Z2,则关系式 V1=I1×Z1;V2=I2×Z2 无法同时满足电压和电流连续的条件V1= V2,I1= I2,故只能从电磁波反射的角度进行分析,如下所示。
信号由区域1往区域2传输的过程中,入射(incident)信号、反射信号(reflect)、传输信号(transfer)分别如下图表示:
(电压信号)
(电流信号)
分界面两侧的电压相等,有 Vinc+ Vref= Vtra ;
分界面两侧的电流相等,有Iinc- Iref= Itra ;
再有 Iinc× Z1= Vinc ;
Iref×Z1=Vref ;
Itra×Z1=Vtra ;
由以上5个等式可以推导得出:
3.2:建立传输模型
一般理想情况下,末端接收端的输入阻抗无穷大,源端输出端的输出阻抗趋近于0。设源端串接的匹配电阻阻抗为Rs,传输线(即PCB走线)阻抗为Rz。
信号在线上由A往B传送时,在B点信号的反射系数为1,即全反射;
由B往A传送时,在A点信号的反射系数为 (Rs-Rz)/(Rs+Rz)。
3.3:实时反射波形计算
下面举个例子
设传输线阻抗Rz=30Ω,源端串接的匹配电阻Rs=10Ω,则传输线左端A点反射系数为 (10 - 30)/(10 + 30) = -0.5,右端B点反射系数为 (+∞ - 30)/(+∞ + 30) = 1。
设初始状态都为低电平0.0V,T0时刻源端跳变为3.3V,发送逻辑高电平信号,末端B点的电压变化如下。
T1时刻,由于电阻分压,传输线左端A点电压为3.3*30/(10+40)=2.475V,抽象理解为T1时刻有一个+2.475V的信号在传输线上向B点传播;
T2时刻,该信号在B点产生全反射(反射系数为1),T2时刻B点电压为原始信号、入射信号、反射信号的叠加,即0+2.475+2.475 = 4.95V;
T3时刻,末端的一次反射信号到达A点,由于阻抗不匹配,反射电压为2.475 * (-0.5)=-1.2375V,此时A点电压也为原始信号、入射信号、反射信号的叠加;
T4时刻,源端的一次反射信号到达B点,同理计算末端B点电压为4.95-1.2375-1.2375 = 2.475V;
T5时刻,末端的二次反射信号到达A点........
T6时刻,源端的二次反射信号达到B点,如上图所示计算B点电压为 3.7125V
在理想情况(无损传输)下,信号会在传输线A、B两端无休止的反射振荡,反射电压的幅值越来越趋近于0,在实际中信号在传输过程中有衰减,最终趋于稳态。
下面计算了约50多个数据,反应末端B点的电压变化,如下图所示:(左图为理论数据计算作图,右图为示波器测得实际波形)
由以上理论推导和数据可知,当源端信号发生跳变后,由于阻抗不匹配,末端会产生多个超过或低于期望电平的脉冲,这就是振铃现象,第一个脉冲就是过冲。
4:改变阻抗匹配
通过改变源端匹配电阻 Rs 的阻值,得到如下一部分模拟数据
可以发现,当源端电阻小于传输线电阻时,信号变化比较快(上升时间较短),但是会伴随着过冲的产生,影响信号的完整性;
源端匹配:(驱动端的输出阻抗与传输线的特征阻抗一致)
1:驱动端源阻抗小于传输线的特征阻抗,在需要在驱动端添加一个电阻
2:使端源阻+电阻值=传输线特性阻抗
源端匹配优点:
1:功耗低,无直流功耗
源端匹配缺点:
1:工艺制程原因,芯片输出阻抗不好控制,很难做到匹配
负载端匹配:(终端匹配),是采用是负载的阻抗和传输线一致的方式,从而达到一致反射的目的。
优点:容易做到匹配
缺点:有直流功耗
当源端电阻大于传输线电阻时,信号上升相对比较平缓,能有效解决过冲问题,但是增大了上升时间,限制了信号的传输速度;
只有当源端电阻和传输线电阻相等时(即阻抗匹配状态),信号质量最接近理想状态。
注:当源端电平发生由1到0的负跳变时,分析方法同上,这里不再重复阐述,用于生成模拟数据的代码仍然可用
4:解决方案
1:减小驱动端的输出电流
2:端接电阻进行阻抗匹配,本质上是消除信号路径端点的阻抗突变,大多数情况下在源端串联一个匹配电阻,使传输线阻抗与源端阻抗匹配,在PCB走线时,该电阻尽可能靠近源端器件的输出管脚;也有部分情况在末端并联一个匹配电阻到电源或地,以消除信号在末端的一次反射,但这种方式增大了电路的功耗,一般不建议采用;
3:增加TVS二极管限制峰值