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最近在看高速信號(hào)的內(nèi)容，實(shí)際工作中接觸過(guò)相關(guān)內(nèi)容，但總感覺云里霧里，看待問(wèn)題還是一知半解，覺得有必要把這部分的內(nèi)容重新梳理一下，所以打算把高速信號(hào)的內(nèi)容整理成以下幾個(gè)系列，如下： 高速信號(hào)之傳輸線 高速信號(hào)之均衡 高速信號(hào)之反射與端接 高速信號(hào)之串?dāng)_ 高速信號(hào)之抖動(dòng) 高速信號(hào)之眼圖 高速信號(hào)之?dāng)U頻時(shí)鐘 等等等....... 實(shí)在能力有限，暫且就想到這么多。這些內(nèi)容短時(shí)間肯定梳理不完，每一個(gè)系列我想的是盡可能系統(tǒng)的來(lái)介紹相關(guān)的內(nèi)容（能力有限，見諒見諒），并帶有實(shí)際案例分析。可以讓大家得到不一樣的東西，加深對(duì)高速信號(hào)的理解，同時(shí)自己在這個(gè)過(guò)程中學(xué)有所得，至少或者說(shuō)是強(qiáng)迫自己能夠堅(jiān)持下去（就不多叭叭了，正式開始） 今天就以反射與端接作為這一系列的開篇，主要介紹以下幾部分內(nèi)容： 1、為什么要了解反射 2、什么情況下需要考慮反射 3、如何來(lái)定義反射 4、為什么會(huì)存在反射 5、反射的三種極端情況 6、反射的解決方案-端接 7、由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇端接方式 為什么要了解反射 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電路的規(guī)模越來(lái)越大，單個(gè)器件集成的功能越來(lái)越多，速率越來(lái)越高，器件引腳的信號(hào)變化沿速率也越來(lái)越高，導(dǎo)致SI問(wèn)題越來(lái)越多，主要是反射、串?dāng)_、輻射。而反射是由于信號(hào)傳輸路徑上的阻抗不連續(xù)造成，嚴(yán)重的反射將破壞信號(hào)的完整性,并引起信號(hào)過(guò)沖現(xiàn)象,從而出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)字邏輯和毀壞器件，了解反射的來(lái)源和解決方案有助于我們更好的進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和解決信號(hào)完整性問(wèn)題。 什么情況下需要考慮反射 文章的標(biāo)題是高速信號(hào)之反射與端接，當(dāng)然只有在高速信號(hào)中才需要考慮信號(hào)的阻抗匹配，那么怎么來(lái)界定高/低速信號(hào)呢？可以在網(wǎng)上搜索到的或者一般性結(jié)論有如下幾條： 頻率大于50MHZ的信號(hào)； 需要考慮趨膚效應(yīng)帶來(lái)的影響時(shí)的信號(hào)； 邊沿時(shí)間小于100PS的信號(hào)； 實(shí)際上這些說(shuō)法都不太準(zhǔn)確，周期頻率高的一定是高速信號(hào)信號(hào)嗎？答案肯定是否定的。下面通過(guò)兩個(gè)方法給大家介紹一下怎么區(qū)分高/低速信號(hào)。 方法1：信號(hào)的走線長(zhǎng)度大于信號(hào)有效波長(zhǎng)的1/6時(shí)，即為高速信號(hào)。 事實(shí)上我們考慮信號(hào)的最高頻率不是周期頻率F，而是信號(hào)的有效頻率Fknee。有效頻率只有信號(hào)的上升沿時(shí)間有關(guān)，定義如下：
其中Tr是信號(hào)的10%-90%上升沿時(shí)間。 信號(hào)波長(zhǎng)與信號(hào)頻率的關(guān)系如下：
其中C為信號(hào)在PCB上的傳輸速度， 同時(shí)在低速信號(hào)的傳輸路徑上各點(diǎn)的電平大致相同，而高速信號(hào)傳輸路徑上各點(diǎn)電平存在較大差異。因此低速信號(hào)可以用集總式思維分析，高速信號(hào)需要用分布式思維看待。由此可知，高速低速的區(qū)分，不禁取決于信號(hào)頻率，還取決于傳輸路徑的長(zhǎng)度。 綜上所述，區(qū)分高速和低速信號(hào)的步驟如下： 第一步：計(jì)算信號(hào)的有效頻率Fknee和走線長(zhǎng)度L 第二步：利用Fknee計(jì)算出信號(hào)的有效波長(zhǎng)λknee。 第三步：判斷L與1/6*λknee的關(guān)系，若L>1/6*λknee，則信號(hào)為高速信號(hào)。 （在已有PCB板的情況下，我們可以直接測(cè)量信號(hào)的上升沿時(shí)間從而計(jì)算Fknee的值，而沒(méi)有現(xiàn)成電路的情況下默認(rèn)信號(hào)有效頻率是信號(hào)周期頻率的7倍。例如頻率為100M的周期信號(hào)，我們可認(rèn)為有效頻率Fknee為700M。）
【案例】 信號(hào)1：周期頻率100MHz,上升沿時(shí)間2ns，走線長(zhǎng)度6in 信號(hào)2：周期頻率100MHz,上升沿時(shí)間0.5ns，走線長(zhǎng)度6in 【解釋】 根據(jù)有效頻率Fknee和的計(jì)算公式，可以得到： 對(duì)信號(hào)1： Fknee=0.5/2ns=250MHz λknee=C/ Fknee= /250MHz =1.2m=47in 對(duì)信號(hào)2： Fknee=0.5/0.5ns=1000MHz λknee=C/ Fknee= /1000MHz =0.3m=12in 其中，1m=39.37in 信號(hào)1走線長(zhǎng)度為6in,小于λknee的1/6,因此為低速信號(hào)。對(duì)于信號(hào)2走線長(zhǎng)度同為6in,大于λknee的1/6,因此為高速信號(hào)。 方法2：信號(hào)的上升沿時(shí)間小于6倍信號(hào)的傳輸延時(shí)，即為高速信號(hào) 信號(hào)的上升時(shí)間可以通過(guò)IBIS模型或是數(shù)據(jù)手冊(cè)獲取，或使用方法1進(jìn)行計(jì)算。而傳輸延時(shí)則可以按照信號(hào)線總長(zhǎng)度除以信號(hào)傳播速度進(jìn)行計(jì)算，信號(hào)傳輸速度近似值約為6mil/ps。
【案例】 信號(hào)1：周期頻率100MHz，上升沿時(shí)間為100ps，傳播距離60mil 信號(hào)2：周期頻率100MHz，上升沿時(shí)間為100ps，傳播距離600mil 【解釋】 信號(hào)1：根據(jù)6mil/ps傳輸速度進(jìn)行計(jì)算，60mil的傳播距離傳輸延時(shí)為60/6=10ps。100ps > 10ps*6,此信號(hào)就不算為高速信號(hào)。 信號(hào)2：同樣的信號(hào)，傳播距離改為600mil，600mil的傳播距離傳輸延時(shí)為600/6=100ps。100ps < 100ps*6,就需要將此信號(hào)作為高速信號(hào)進(jìn)行處理。 如何來(lái)定義反射 如下如所示，假設(shè)驅(qū)動(dòng)端的輸出阻抗為17Ω，傳輸線阻抗為50Ω，負(fù)載端1K。我們將信號(hào)類比為水流，阻抗的高低類比于管道的粗細(xì)。可以看出阻抗低的部分管道粗，水流比較大。阻抗高的部分管道細(xì)，水流比較小。在管道粗度不一致的地方（阻抗不連續(xù)的地方）水流發(fā)生了變化，有一部分水流是流不過(guò)去的，并且還影響到了流過(guò)來(lái)的水流。信號(hào)也是如此，在阻抗不連續(xù)的地方產(chǎn)生了反射，反射信號(hào)疊加在了原信號(hào)上，造成信號(hào)失真。
信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)，其路徑上的每一步都有相應(yīng)的瞬時(shí)阻抗。如果互連的阻抗是可控的，瞬時(shí)阻抗就等于線的特性阻抗，無(wú)論什么原因使瞬時(shí)阻抗發(fā)生了變化，部分信號(hào)將沿著與傳播方向相反的方向反射，而另一部分將繼續(xù)傳播，但幅度有所改變，瞬時(shí)阻抗發(fā)生變化的地方稱為阻抗突變。
反射信號(hào)的量值由瞬時(shí)阻抗的變化量決定，假設(shè)區(qū)域1的瞬時(shí)阻抗為Z1，區(qū)域2的瞬時(shí)阻抗為Z2，則反射信號(hào)與入射信號(hào)之間的幅值之比為：
其中 兩個(gè)區(qū)域的阻抗差異越大，反射信號(hào)量就越大。例如，如果1V的信號(hào)沿特性阻抗為50Ω的傳輸線傳播，當(dāng)它進(jìn)入75Ω的區(qū)域時(shí)，反射系數(shù)為（75-50）/（75+50）=20%，反射電壓為0.2*1=0.2V。時(shí)域中，無(wú)論什么樣的波形，只要遇到交界面，波形的各個(gè)部分的20%都會(huì)被反射回去。頻域中，所有波形都為正弦波，每個(gè)正弦波都會(huì)被反射，且反射的幅值和相位都可以從上述公式計(jì)算出來(lái)。 今天得文章暫且到此結(jié)束，后面的內(nèi)容會(huì)馬上跟上，謝謝！ |
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來(lái)自： 愛月亮的長(zhǎng)頸鹿 > 《待分類》
，F(xiàn)表示信號(hào)的有效頻率Fknee。
稱為反射電壓，
稱為入射電壓，
稱為傳輸電壓。
