傳輸線的反射干擾.doc

一.引言在微機系統(tǒng)中，接口與其它設(shè)備之間的連接要通過一定長度的電纜來實現(xiàn)，在計算機內(nèi)部，印制電路板之間需要通過焊接線來連接。在一些其它的脈沖數(shù)字電路中也存在這類事的問題。脈沖信號包含著很多的高頻成分，即使脈沖信號本身的重復(fù)頻率并不十分高，但如果前沿陡峭，在經(jīng)過傳輸通道時，將可能發(fā)生信號的畸變，嚴重時將形成振蕩，破壞信號的正常傳輸和電路的正常工作。脈沖信號的頻率越高，傳輸線的長度越長，即便問題越嚴重。二.傳輸線的反射干擾及其造成的危害任何信號的傳輸線，對一定頻率的信號來說，都存在著一定的非純電阻性的波阻抗，其數(shù)值與集成電路的輸出阻抗和輸入阻抗的數(shù)值各不相同，在他們相互連接時，勢必存在著一些阻抗的不連續(xù)點。當信號通過這些不連續(xù)點時便發(fā)生“反射”現(xiàn)象，造成波形畸變，產(chǎn)生反射噪聲。另外，較長的傳輸線必然存在著較大的分布電容和雜散電感，信號傳輸時將有一個延遲，信號頻率越高，延遲越明顯，造成的反射越嚴重，信號波形產(chǎn)生的畸變也就越厲害。這就是所謂的“長線傳輸?shù)姆瓷涓蓴_”。圖1是為了演示這種“長線反射”的實驗電路，圖2是該電路的各點輸出波形。圖2(a)是脈沖信號發(fā)生器的輸出波形，圖2(b)是“與非門1”的輸出再不連接電纜時的波形，可以看到，該波形同a的輸入信號一樣，是沒有任何畸變的1MHz反向方波。圖2(c)是在接入場傳輸線后門1點波形，可見該波形出現(xiàn)了“振蕩”和“臺階”；在傳輸線的終端，信號不僅有“振蕩”，還出現(xiàn)了幅度高達-6V左右的“過沖”圖2(d)。實驗進一步證明，傳輸線越長，信號的畸變越嚴重，當傳輸線達到10m時，信號波形已面目全非了。對于TTL器件來說，“過沖”超過6V時，對器件輸入端的P-N結(jié)就有造成損壞的可能。同時從+3V-6V的大幅度下降，將會對鄰近的平行信號產(chǎn)生嚴重的串擾，且臺階將造成不必要的延時，給工作電路造成不良的后果。一旦形成震蕩，危害就更嚴重，這種振蕩信號將在信號的始端和終端同時直接構(gòu)成信號噪聲，從而形成有效的干擾。三.信號傳輸線的主要特性及阻抗匹配1.信號傳輸線的特征阻抗對于計算機及數(shù)字系統(tǒng)來說，經(jīng)常使用的信號傳輸線主要有單線（含接連線和印制線等）、雙絞線、帶狀平行電纜、同軸電纜和雙絞屏蔽電纜等。傳輸線的特性參數(shù)很多，與傳輸線的反射干擾有關(guān)的參數(shù)主要有延遲時間和波阻抗。一般說來，反顯得信號延遲時間最短，同軸電纜較長，雙絞線居中，約為6ns/m。波阻抗為單線最高，約為數(shù)百歐，雙絞線的波阻抗，雙絞線的波阻抗一般在100-200之間，且絞花越短，波阻抗越低。從抗干擾的角度講，同軸電纜最好，雙絞線次之，而帶狀電纜和單線最差。2.阻抗的匹配當傳輸線終端不匹配時，信號被反射，反射波達到始端時，如始端不匹配，同樣產(chǎn)生反射，這就發(fā)生了信號在傳輸線上多次往返反射的情況，產(chǎn)生嚴重的反射干擾。因此要盡可能做到始端和終端的阻抗匹配，是抑制反射干擾的有效途徑。為此，確定“長線”的最佳長度是至關(guān)重要的。在實際實踐中，一般以公式的經(jīng)驗來決定實際電路信號傳輸線的最大允許不匹配長度（也即“長線”界限）。其中，為電路轉(zhuǎn)換邊沿的平均寬度，對于常用的中速TTL電路，取15ns，為傳輸線的延遲時間。可以計算出，其最大允許匹配長度分別為1m，0.6m和0.4m，否則應(yīng)考慮阻抗匹配。對于高速運行的ECL器件，由于其傳輸時間只有4ns-5ns，故傳輸長度一般超過20cm時，就應(yīng)考慮匹配問題。阻抗匹配的方法可以分為始端阻抗匹配和終端阻抗匹配。始端阻抗匹配的方法是在電路的輸出端，即傳輸線的輸入端串接一個電阻R，使電路的輸出電阻（對TTL而言分別為14R和135R）與所用傳輸線的波阻抗（如雙絞線典型波阻抗為130R）相近似，如圖3所示。這種方法簡單易行，波形畸變也較小。但由于電流流經(jīng)，使在線低壓電平上升，從而降低信號低電平的噪聲容限。一般規(guī)定低電平的升高要小于0.2V,為此應(yīng)考慮減少負載們的個數(shù)來減小電阻R上的電壓降。無源終端匹配可以在接收端的邏輯門的輸入端，即傳輸線的終端并聯(lián)一個電阻，其阻值應(yīng)近似等于傳輸線的波阻抗，如圖4所示。這種方法一般僅限于發(fā)送端采用功率驅(qū)動門的場合，如用普通邏輯門輸出時，并聯(lián)這樣小的電阻負載，會使其輸出高電平下降，從而一般各項電路的高電平噪聲容限。有源終端并聯(lián)匹配，如圖5，可以克服無源終端并聯(lián)匹配時所造成的高電平噪聲容限下降。在圖中交流狀態(tài)下，電源可視為短路，與的并聯(lián)值等于傳輸阻抗的波阻抗。4 振鈴現(xiàn)象的產(chǎn)生及抑制由于任何傳輸線都不可避免地存在著引線電阻、引線電感和雜散電容，因此，一個標準的脈沖信號在經(jīng)過較長的傳輸線后，極易產(chǎn)生上沖和振鈴現(xiàn)象。大量的實驗表明，陰線電阻可使脈沖的平均振幅減??；而雜散電容和引線電感的存在，則是產(chǎn)生上沖和振鈴的根本原因。在脈沖前沿上升時間相同的條件下，陰線電感越大，上沖及振鈴現(xiàn)象就越嚴重；雜散電容越大，則是波形的上升時間越長；而引線電阻的增加，將使脈沖振幅減小。在實際電路中，采用下列幾種方法來來減小和抑制上沖及振鈴。(1)串聯(lián)電阻。利用具有較大電阻的傳輸線或是人為地串入適當?shù)淖枘犭娮?，可以減小脈沖的振幅，從而達到減小上沖和振鈴程度的目的。但當傳入電阻的數(shù)值過大時，不禁脈沖幅度減小過多，而且使脈沖的前沿產(chǎn)生延遲。因此，串入的阻尼電阻值應(yīng)適當，并且應(yīng)選用無感電阻，電阻的連接為值應(yīng)靠近接收端。(2)減小引線電感。設(shè)法減小線路及傳輸線的引線電感是最基本的方法，總的原則是：盡量縮短引線長度；加醋到線和印制銅箔的寬度；減小信號的傳輸距離，采用引線電感小的元器件等，尤其是傳輸前沿很陡的脈沖信號時更應(yīng)注意這些問題。(3)由于負載電路的等效電感和等效電容同樣可以影響發(fā)送端，使之脈沖波形產(chǎn)生上沖和振鈴，因此，應(yīng)盡量減小負載電路的等效電感和電容。尤其是負載電路的接地線過長時，形成的地線電感和雜散電容相當可觀，其影響不容忽視。(4)邏輯數(shù)字電路中的信號線可增加上拉電阻和交流終端負載，如圖6所示。上拉電阻（可?。┑慕尤?，可將信號的邏輯高電平上拉到5V。交流終端負載電路的接入不影響支流驅(qū)動能力，也不會增加信號線的負載，而高頻振鈴現(xiàn)象卻可得到有效的抑制。上述振鈴除了與電路條件有關(guān)外，還與脈沖前沿的上升時間密切相關(guān)。即使電路條件相同，當脈沖前沿上升時間很短時，上沖的峰值將大大增加。一般對于前沿上升時間在1以下的脈沖，均考慮產(chǎn)生上沖及振鈴的可能。因此，在脈沖信號頻率的選擇問題上，應(yīng)考慮在滿足系統(tǒng)速度要求的前提下，能選用較低頻率的信號絕不選用高頻信號；如無必要，也不應(yīng)過分要求脈沖的前沿非常陡峭。這對從根本上消除上沖和振鈴視聽有利的。五.結(jié)束語理想的匹配狀態(tài)實際上是不存在的，而且邏輯電路的輸入和輸出阻抗都具有非線性，且傳輸線的引線電感和線路的雜散電容的存在也是不可避免的。因此，即使是最好的匹配，也只能是在不同程度上對反射干擾進行了抑制，使其不致影響系統(tǒng)的正常工作。因而在實際電路中盡量縮短傳輸線的長度，則是至關(guān)重要和最根本的方法。任何信號的傳輸線，對一定頻率的信號來說，都存在著一定的非純電阻性的波阻抗，其數(shù)值與集成電路的輸出阻抗和輸入阻抗的數(shù)值各不相同，在