信号完整性:信号振铃是怎么产生的
Minor昔年 2022-08-01

  信号的反射可能会引起振铃现象,一个典型的信号振铃如图1所示。

          

  那么信号振铃是怎么产生的呢?

  前面讲过,如果信号传输过程中感受到阻抗的变化,就会发生信号的反射。这个信号可能是驱动端发出的信号,也可能是远端反射回来的反射信号。根据反射系数的公式,当信号感受到阻抗变小,就会发生负反射,反射的负电压会使信号产生下冲。信号在驱动端和远端负载之间多次反射,其结果就是信号振铃。大多数芯片的输出阻抗都很低,如果输出阻抗小于PCB走线的特性阻抗,那么在没有源端端接的情况下,必然产生信号振铃。

  信号振铃的过程可以用反弹图来直观的解释。假设驱动端的输出阻抗是10欧姆,PCB走线的特性阻抗为50欧姆(可以通过改变PCB走线宽度,PCB走线和内层参考平面间介质厚度来调整),为了分析方便,假设远端开路,即远端阻抗无穷大。驱动端传输3.3V电压信号。我们跟着信号在这条传输线中跑一次,看看到底发生了什么?为分析方便,忽略传输线寄生电容和寄生电感的影响,只考虑阻性负载。图2为反射示意图。

  第1次反射:信号从芯片内部发出,经过10欧姆输出阻抗和50欧姆PCB特性阻抗的分压,实际加到PCB走线上的信号为A点电压3.3*50/(10+50)=2.75V。传输到远端B点,由于B点开路,阻抗无穷大,反射系数为1,即信号全部反射,反射信号也是2.75V。此时B点测量电压是2.75+2.75=5.5V。

  第2次反射:2.75V反射电压回到A点,阻抗由50欧姆变为10欧姆,发生负反射,A点反射电压为-1.83V,该电压到达B点,再次发生反射,反射电压-1.83V。此时B点测量电压为5.5-1.83-1.83=1.84V。

  第3次反射:从B点反射回的-1.83V电压到达A点,再次发生负反射,反射电压为1.22V。该电压到达B点再次发生正反射,反射电压1.22V。此时B点测量电压为1.84+1.22+1.22=4.28V。

  第4次反射:。。。 。。。 。。。第5次反射:。。。 。。。 。。。

  如此循环,反射电压在A点和B点之间来回反弹,而引起B点电压不稳定。观察B点电压:5.5V->1.84V->4.28V->……,可见B点电压会有上下波动,这就是信号振铃。

       

  信号振铃根本原因是负反射引起的,其罪魁祸首仍然是阻抗变化,又是阻抗!在研究信号完整性问题时,一定时时注意阻抗问题。

  负载端信号振铃会严重干扰信号的接受,产生逻辑错误,必须减小或消除,因此对于长的传输线必须进行阻抗匹配端接。

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