過沖及振鈴現(xiàn)象實驗分析

1、過沖及振鈴實驗現(xiàn)象分析1.測試電路及過沖、振鈴現(xiàn)象測試電路如下圖所示，A點為電壓輸出口，B點為為了接入電阻而切開的口，C點為同軸電壓監(jiān)測點。在B點出用導(dǎo)線連接時，在C點引同軸線到示波器（示波器內(nèi)阻1M），觀察到上升沿有過沖及振鈴現(xiàn)象，如下圖所示。1.2 振鈴產(chǎn)生的原因分析1.2.1 振鈴現(xiàn)象的產(chǎn)生那么信號振鈴是怎么產(chǎn)生的呢?前面講過，如果信號傳輸過程中感受到阻抗的變化，就會發(fā)生信號的反射。這個信號可能是驅(qū)動端發(fā)出的信號，也可能是遠(yuǎn)端反射回來的反射信號。根據(jù)反射系數(shù)的公式，當(dāng)信號感受到阻抗變小，就會發(fā)生負(fù)反射，反射的負(fù)電壓會使信號產(chǎn)生下沖。信號在驅(qū)動端和遠(yuǎn)端負(fù)載之間多次反射，其結(jié)果就是信號振鈴。

2、大多數(shù)芯片的輸出阻抗都很低，如果輸出阻抗小于PCB走線的特性阻抗，那么在沒有源端端接的情況下，必然產(chǎn)生信號振鈴。信號振鈴的過程可以用反彈圖來直觀的解釋。假設(shè)驅(qū)動端的輸出阻抗是10歐姆，PCB走線的特性阻抗為50歐姆(可以通過改變PCB走線寬度，PCB走線和內(nèi)層參考平面間介質(zhì)厚度來調(diào)整)，為了分析方便，假設(shè)遠(yuǎn)端開路，即遠(yuǎn)端阻抗無窮大。驅(qū)動端傳輸3.3V電壓信號。我們跟著信號在這條傳輸線中跑一次，看看到底發(fā)生了什么?為分析方便，忽略傳輸線寄生電容和寄生電感的影響，只考慮阻性負(fù)載。下圖為反射示意圖。第1次反射：信號從芯片內(nèi)部發(fā)出，經(jīng)過10歐姆輸出阻抗和50歐姆PCB特性阻抗的分壓，實際加到PCB走線

3、上的信號為A點電壓3.3*50/(10+50)=2.75V。傳輸?shù)竭h(yuǎn)端B點，由于B點開路，阻抗無窮大，反射系數(shù)為1，即信號全部反射，反射信號也是2.75V。此時B點測量電壓是2.75+2.75=5.5V。第2次反射：2.75V反射電壓回到A點，阻抗由50歐姆變?yōu)?0歐姆，發(fā)生負(fù)反射，A點反射電壓為-1.83V，該電壓到達(dá)B點，再次發(fā)生反射，反射電壓-1.83V。此時B點測量電壓為5.5-1.83-1.83=1.84V。第3次反射：從B點反射回的-1.83V電壓到達(dá)A點，再次發(fā)生負(fù)反射，反射電壓為1.22V。該電壓到達(dá)B點再次發(fā)生正反射，反射電壓1.22V。此時B點測量電壓為1.84+1.22+

4、1.22=4.28V。第4次反射：第5次反射：如此循環(huán)，反射電壓在A點和B點之間來回反彈，而引起B(yǎng)點電壓不穩(wěn)定。觀察B點電壓：5.5V-1.84V-4.28V-，可見B點電壓會有上下波動，這就是信號振鈴。下圖為B點電壓隨反射次數(shù)的變化示意圖。1.2.2 振鈴現(xiàn)象的研究設(shè)源端電阻為，遠(yuǎn)端電阻為無窮大，傳輸線特性阻抗為50歐姆。當(dāng)時，變化曲線如上圖所示。當(dāng)時，變化曲線如下圖所示當(dāng)時，得到的變化曲線如下圖所示分析以上三圖，得到如下結(jié)論 當(dāng)源端電阻大于等于傳輸線特性阻抗時，不會發(fā)生過沖及振鈴現(xiàn)象； 當(dāng)源端電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳輸線特性阻抗時，雖不會發(fā)生振鈴現(xiàn)象，但上升時間增大； 以上三種狀態(tài)的輸出電壓最終穩(wěn)定

5、在3.3V，與集總參數(shù)電路分析結(jié)果一一致； 理論上當(dāng)源端電阻為50歐時，脈沖進(jìn)入穩(wěn)定的時間最短。1.3 實驗現(xiàn)象1.3.1 振鈴現(xiàn)象原因的證據(jù)一當(dāng)B點連接導(dǎo)線時，用同軸線連接C至1M內(nèi)阻的示波器，觀察到如上圖所示現(xiàn)象，綠線為C點輸出的電壓波形，黃線為直接用示波器探頭測量A點的電壓波形?？梢奀點至示波器的同軸線在示波器輸入端出發(fā)生了反射，并且影響了A點的電壓波形。將同軸線從C點斷開，觀察到現(xiàn)象如下圖所示由于沒有同軸線在示波器處的反射，A點的波形質(zhì)量也變好，上升平穩(wěn)。1.3.2 振鈴現(xiàn)象原因證據(jù)二當(dāng)B點連接0歐姆電阻時，觀察到如下現(xiàn)象（a）沿的情況（b）上升沿情況當(dāng)B點連接5歐電阻時，觀察到如下現(xiàn)象（a）沿的情況（b）上升沿情況當(dāng)B點連接20歐電阻時，觀察到如下現(xiàn)象（a）沿的情況（b）上升沿情況當(dāng)B點連接1k的電阻時，觀察的現(xiàn)象如下（a）沿的情況（b）上升沿情況由以上實驗現(xiàn)象可以總結(jié)：當(dāng)源端電阻小于傳輸線特性阻抗時，會發(fā)生振零現(xiàn)象；當(dāng)源端電阻遠(yuǎn)大于特性阻抗時，不會發(fā)生振鈴現(xiàn)象，但上升沿時間大大增長。1.4 振鈴現(xiàn)象的解決方案這是高速電路中的一個信號完整性問題，主要解決好不匹配即可。其中的一種方法為：（a）串行端接是通過在盡量靠近源端的位置串聯(lián)一個電阻 RS ( 典型 10 75 ) 來實現(xiàn)的。此類端接法要求緩沖器阻抗和端接電阻值的總和等于傳輸線的特征阻抗。這種策略通過使源端