作者：一博科技高速先生成員 孫小兵

眾所周知，信號(hào)的反射與互連線的阻抗密切相關(guān)，可以說(shuō)互連線中阻抗突變是產(chǎn)生信號(hào)反射的最直接原因。但究竟為什么會(huì)發(fā)生反射，反射對(duì)信號(hào)的影響是什么樣的，信號(hào)反射的過(guò)程又是如何呢？剛好最近也在學(xué)習(xí)一些信號(hào)完整性方面的理論基礎(chǔ)知識(shí)，也是深受這部分的理論所困惑。下面就和小編一起深入了解一下在傳輸鏈路中反射的產(chǎn)生過(guò)程和對(duì)信號(hào)波形的影響吧。

創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)易的信號(hào)傳輸鏈路模型如下圖。信號(hào)源驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻Rs為10Ω，輸出信號(hào)幅度為1V。中間傳輸線阻抗Rt為50Ω，傳輸延時(shí)TD為1ns。接收端負(fù)載阻抗無(wú)窮大，相當(dāng)于遠(yuǎn)端開(kāi)路。

在該鏈路模型中，節(jié)點(diǎn)1位置是從10Ω輸出內(nèi)阻到50Ω?jìng)鬏斁€，而對(duì)于從遠(yuǎn)端到源端的方向來(lái)看，節(jié)點(diǎn)1位置是從50Ω?jìng)鬏斁€到10Ω輸出內(nèi)阻，該節(jié)點(diǎn)反射系數(shù)ρ1=(10-50)/(50+10)=-0.667。在節(jié)點(diǎn)2位置，由于遠(yuǎn)端開(kāi)路，在遠(yuǎn)端反射系數(shù)ρ2=(∞-50)/( ∞+50)≈1，信號(hào)在該位置將發(fā)生全反射。基于該傳輸模型推導(dǎo)的反射邏輯圖如下所示。

1.首先，假定信號(hào)邊沿開(kāi)始處為時(shí)間0ns位置，此時(shí)根據(jù)串阻分壓，信號(hào)源輸出的1V電壓，經(jīng)過(guò)輸出電阻和傳輸線電阻分壓后在節(jié)點(diǎn)1位置信號(hào)電壓V10=1V*50/(10+50)=0.83V。而節(jié)點(diǎn)2位置還沒(méi)有信號(hào)，故該時(shí)刻電壓V20=0V。

2.經(jīng)過(guò)1ns的傳輸后，信號(hào)到達(dá)節(jié)點(diǎn)2并發(fā)生反射，反射電壓為0.83V*1=0.83V。此刻節(jié)點(diǎn)2位置的電壓V21=0V+0.83V+0.83V*1=1.66V。

3.遠(yuǎn)端的反射信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸線1ns后又會(huì)回到源端，并在源端也發(fā)生反射，此刻源端的電壓V12=0.83V+0.83V+0.83V*(-0.667)=1.106V。由于還沒(méi)有反射信號(hào)回到遠(yuǎn)端，遠(yuǎn)端電壓V22=1.66V。

4.在源端位置產(chǎn)生的反射信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸線1ns后又重新回到遠(yuǎn)端，并在遠(yuǎn)端發(fā)生反射，此刻遠(yuǎn)端的電壓V23=1.66V+(-0.554V)+(-0.554V*1) =0.552V。

以此類(lèi)推……

在上述情況下，內(nèi)阻小于傳輸線阻抗，在源端位置出現(xiàn)負(fù)反射，這將引起通常所說(shuō)的過(guò)沖和振鈴現(xiàn)象。如下圖所示，藍(lán)色曲線是源端電壓波形，紅色曲線是遠(yuǎn)端接收到的電壓波形。在此示例中，信號(hào)上升邊遠(yuǎn)于傳輸線時(shí)延，而信號(hào)周期較大于傳輸時(shí)延。這樣能夠考慮到所有的多次往返反射和阻抗突變的情況。

由反彈圖和以上的紅藍(lán)波形圖可以看出，反射信號(hào)電壓的絕對(duì)值在逐漸減小，震蕩幅度在逐漸減弱，末端的電壓最終逼近于信號(hào)源電壓1V。這是由于該電路是開(kāi)路的，信號(hào)源電壓最終全部加在開(kāi)路的末端。

這時(shí)有人可能又會(huì)疑惑了，既然信號(hào)源輸出電壓幅度為1V，那為什么會(huì)在末端接收到大于信號(hào)源的電壓值1.66V呢？高出的電壓是怎么產(chǎn)生的呢？這是由傳輸線上的分布電容(C)和分布電感(L)諧振所產(chǎn)生。

以上展示了信號(hào)單邊沿后的反射全過(guò)程。當(dāng)連續(xù)的碼元輸出后，將會(huì)在每一個(gè)上升沿和下降沿后的電平保持期間出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。高電平最高位置將達(dá)到1.66V，低電平最低位置將達(dá)到-0.66V。過(guò)沖將會(huì)導(dǎo)致接收端誤觸發(fā)造成誤碼，還可能突破電平接收容限，嚴(yán)重的可能損害芯片。

當(dāng)信號(hào)速率升高達(dá)到一定程度或走線長(zhǎng)度改變時(shí)，振鈴全過(guò)程就不能夠有充足的時(shí)間在信號(hào)平整區(qū)間完整的表現(xiàn)出來(lái)，后面的震蕩將可能會(huì)淹沒(méi)在信號(hào)上升沿或者下降沿期間，因而只表現(xiàn)出明顯的過(guò)沖現(xiàn)象，如下圖所示。

前面的鏈路中信號(hào)發(fā)生反射主要是由于源端內(nèi)阻和傳輸線阻抗不匹配造成的，反射信號(hào)在源端和遠(yuǎn)端來(lái)回傳輸并多次反射形成了一個(gè)振鈴效應(yīng)。

想要改善反射對(duì)信號(hào)的影響，端接在這里就派上用場(chǎng)了。大家可能都知道端接可以有效的抑制或消除反射。這里就嘗試做一個(gè)端接處理，在源端位置串聯(lián)一個(gè)40Ω的電阻，鏈路模型如下：

上圖是做了端接處理后遠(yuǎn)端接收到的信號(hào)波形。可以看到反射被消除了，接收端的信號(hào)幅度為信號(hào)源輸出信號(hào)電壓1V,且信號(hào)波形比較完整。

作者：一博科技 edadoc.com 高速先生成員