傳輸線匹配與反射實(shí)用教案

1、5.0 引言(ynyn)如果信號(hào)沿互連線傳播時(shí)所受到的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，則一部分信號(hào)將被反射，另一部分發(fā)生失真并繼續(xù)傳播，這正是單一網(wǎng)絡(luò)中多數(shù)信號(hào)完整性問題產(chǎn)生的主要原因(yunyn)。反射和失真使信號(hào)質(zhì)量下降，看起來就像是振鈴。引起信號(hào)電平下降的下沖可能會(huì)超過噪聲容限，造成誤觸發(fā)。下圖表示短傳輸線末端由瞬態(tài)阻抗突變?cè)斐傻姆瓷湓肼暋?第1頁/共96頁第一頁，共97頁。5.0 引言(ynyn)只要信號(hào)遇到瞬態(tài)阻抗突變，反射就會(huì)發(fā)生(fshng)。反射可能發(fā)生(fshng)在線末端，或者是互連線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生(fshng)改變的地方，如拐角、過孔、T型結(jié)構(gòu)、接插件等處。因此設(shè)計(jì)互連線的目的就是盡可能

2、保持信號(hào)受到的阻抗恒定。 首先要保持互連線的特性阻抗恒定。因此，制造阻抗可控電路板變得越來越重要。減小樁線（stub）長度、使用菊花鏈代替分支結(jié)構(gòu)、使用真正的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)技巧，都是為了保持瞬態(tài)阻抗恒定。其次改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并增加分立電阻元件應(yīng)對(duì)阻抗的突變，從而保證信號(hào)受到的瞬態(tài)阻抗恒定。2第2頁/共96頁第二頁，共97頁。5.1 阻抗(zkng)變化處的反射只要瞬態(tài)阻抗發(fā)生了改變，部分信號(hào)將沿著與原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。將瞬態(tài)阻抗發(fā)生改變的地方稱為阻抗突變，或簡稱突變。 反射信號(hào)的量值由瞬態(tài)阻抗的變化量決定，如圖所示。如果(rgu)第一個(gè)區(qū)域瞬態(tài)

3、阻抗是Z1，第二個(gè)區(qū)域是Z2，則反射信號(hào)與入射信號(hào)幅值之比為（后面證明）：32121reflectedincidentVZZVZZVreflected表示反射電壓(diny)；Vincident表示入射電壓(diny)；Z1表示信號(hào)最初所在區(qū)域1的瞬態(tài)阻抗；Z2表示信號(hào)進(jìn)入?yún)^(qū)域2時(shí)的瞬態(tài)阻抗；表示反射系數(shù)；第3頁/共96頁第三頁，共97頁。5.1 阻抗變化(binhu)處的反射 兩個(gè)區(qū)域的阻抗差異越大，反射信號(hào)量就越大。例如，1V信號(hào)沿特性阻抗為50W的傳輸線傳播，開始所受到的瞬態(tài)阻抗為50W，當(dāng)它進(jìn)入特性阻抗為75W的區(qū)域時(shí)，反射系數(shù)為：，反射電壓為。信號(hào)沿傳輸線傳播時(shí)遇到阻抗突變，在突變處

4、將產(chǎn)生另一個(gè)波。該波將疊加在第1個(gè)波上，向源端傳播，其幅度等于入射電壓的幅度乘以反射系數(shù)。反射系數(shù)描述了反射回源端的那部分電壓。傳輸系數(shù)描述了通過(tnggu)交界面進(jìn)入第二區(qū)域的部分入射電壓。4第4頁/共96頁第四頁，共97頁。5.2 反射形成(xngchng)機(jī)理為了減少和消除反射，在高速電路板設(shè)計(jì)中的要注意四點(diǎn)：使用可控阻抗互連線；傳輸線兩端至少有一端需要匹配；采用使多分支產(chǎn)生的影響最小化的布線(b xin)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；使幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)（突變）最小化。5第5頁/共96頁第五頁，共97頁。5.2 反射形成(xngchng)機(jī)理那么為什么會(huì)產(chǎn)生反射呢？為了滿足兩個(gè)重要的邊界條件！在突變交界面

5、處，無論是從區(qū)域1還是從區(qū)域2看過去，交界面兩側(cè)的電壓和電流都必須是相同的。邊界處不可能(knng)出現(xiàn)電壓不連續(xù)，否則此處會(huì)有一個(gè)無限大電場(chǎng)；也不可能(knng)出現(xiàn)電流不連續(xù)，否則會(huì)有一個(gè)無限大的磁場(chǎng)。6第6頁/共96頁第六頁，共97頁。5.2 反射(fnsh)形成機(jī)理 為了維持分界面(jimin)兩側(cè)的電壓和電流相等，就需要滿足關(guān)系式V1=V2，I1=I2。而I1=V1/Z1，I2=V2/Z2，同時(shí)成立，顯然，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域的阻抗不同時(shí)，這些關(guān)系式絕不可能同時(shí)成立。 為了使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定，區(qū)域1中產(chǎn)生了一個(gè)反射回源端的電壓。它的唯一目的就是吸收入射信號(hào)和傳輸信號(hào)之間不匹配的電壓和電流，如圖

6、所示。7入射信號(hào)穿越分界面時(shí)，產(chǎn)生了反射電壓和電流，從而(cng r)使分界面兩側(cè)的電壓和電流回路相匹配。第7頁/共96頁第七頁，共97頁。5.2 反射形成(xngchng)機(jī)理 入射信號(hào)Vinc向著分界面?zhèn)鞑?，而傳輸信?hào)Vtrans向遠(yuǎn)離分界面的方向傳播。分界面兩側(cè)電壓相同的條件： 在區(qū)域1，分界處總電流由入射電流和反射電流決定，它們傳播方向相反。區(qū)域1分界面處凈電流為Iinc-Irefl。在區(qū)域2中，電流等于(dngy)Itrans。分別從分界面兩側(cè)看進(jìn)去，電流相同的條件是：8transreflincVVVtransreflincIII第8頁/共96頁第八頁，共97頁。5.2 反射(fns

7、h)形成機(jī)理每個(gè)區(qū)域中的阻抗值為該區(qū)域中電壓與電流(dinli)的比值：9112,incincreflrefltranstransVIZVIZVIZ代入電流(dinli)表達(dá)式中得：112112()increfltransincreflincreflVZVZVZVZVZVVZ即：121212121212ZZZZVVZZZZVZZZZVincreflreflinc這就是反射系數(shù)的定義！第9頁/共96頁第九頁，共97頁。5.3 電阻(dinz)性負(fù)載的反射傳輸線的終端匹配有三種最重要的特殊情況。假設(shè)傳輸線的特性阻抗是50W。首先，如果傳輸線的終端為開路，即末端的瞬態(tài)阻抗是無窮大。這時(shí)反射系數(shù)為1：

8、(無窮-50)/(無窮+50)=1。即在開路端將產(chǎn)生與入射波大小相同、方向相反、返回源端的反射波。在傳輸線的末端（開路端的總電壓），將是兩個(gè)波的疊加。一個(gè)是幅度為1V的信號(hào)(xnho)向開路端傳播，同時(shí)另一個(gè)也是1V信號(hào)(xnho)，但它向相反的方向傳播。因此開路端的電壓為2V。見下圖。10第10頁/共96頁第十頁，共97頁。5.3 電阻(dinz)性負(fù)載的反射11如果區(qū)域2是開路(kil)，則反射系數(shù)為1。此時(shí)開路(kil)處有兩個(gè)方向相反的波相疊加。第11頁/共96頁第十一頁，共97頁。5.3 電阻(dinz)性負(fù)載的反射第二種特殊情況是傳輸線的末端(m dun)與返回路徑相短路，即末端(

9、m dun)阻抗為0。反射系數(shù)為-1：(0-50)/(0+50)=-1。1V入射信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端時(shí)，產(chǎn)生-1V反射信號(hào)向源端傳播。短路突變處測(cè)得的電壓為入射電壓與反射電壓之和，即0V。12第12頁/共96頁第十二頁，共97頁。5.3 電阻(dinz)性負(fù)載的反射最后一種特殊情況是傳輸線末端所接阻抗與傳輸線的特性阻抗相匹配。如果傳輸線的末端連接50W電阻，則反射系數(shù)為0，此時(shí)(c sh)不會(huì)存在反射電壓，50W電阻兩端的電壓就僅是入射信號(hào)。13第13頁/共96頁第十三頁，共97頁。5.3 電阻(dinz)性負(fù)載的反射當(dāng)末端為一般電阻性負(fù)載(fzi)時(shí)，信號(hào)所受到的瞬態(tài)阻抗在0到無窮大之間，這樣，反射

10、系數(shù)在-1到+1之間。下圖給出了50W傳輸線的終端電阻與反射系數(shù)之間的關(guān)系。14信號(hào)從50W的區(qū)域1到區(qū)域2各種( zhn)阻抗時(shí)的反射系數(shù)。第14頁/共96頁第十四頁，共97頁。5.3 電阻(dinz)性負(fù)載的反射當(dāng)區(qū)域(qy)2的阻抗小于區(qū)域(qy)1的阻抗時(shí)，反射系數(shù)為負(fù)，反射電壓也是負(fù)電壓。該負(fù)電壓行波將返回源端。這時(shí)電阻（負(fù)載）兩端的電壓總是小于入射電壓。151V入射信號(hào)，終端(zhn dun)電壓值。為入射波與反射波之和。第15頁/共96頁第十五頁，共97頁。5.3 電阻性負(fù)載(fzi)的反射那么采用源端匹配還是終端匹配？那么采用源端匹配還是終端匹配？常說采用源端匹配較好，為什么？

11、假設(shè)源端不匹配（如傳輸常說采用源端匹配較好，為什么？假設(shè)源端不匹配（如傳輸線特性阻抗為線特性阻抗為50W ，源內(nèi)阻為，源內(nèi)阻為10W），而終端匹配（終），而終端匹配（終端負(fù)載為端負(fù)載為50W）。此時(shí)，因?yàn)閭鬏斁€上電壓）。此時(shí)，因?yàn)閭鬏斁€上電壓(diny)分壓分壓的關(guān)系，終端實(shí)際電壓的關(guān)系，終端實(shí)際電壓(diny)反而不到反而不到1V（）。另外，（）。另外，終端常常給定的，或者是要求高阻負(fù)載，不易匹配。終端常常給定的，或者是要求高阻負(fù)載，不易匹配。相反，對(duì)于相反，對(duì)于1V的信號(hào)源，當(dāng)源端單端匹配（的信號(hào)源，當(dāng)源端單端匹配（50W），而終），而終端開路時(shí)，傳輸線分壓所得的，在終端疊加成端開路時(shí)，傳

12、輸線分壓所得的，在終端疊加成1V。當(dāng)反射。當(dāng)反射波返回源端時(shí)即被吸收，不再形成振鈴。因此，終端波形波返回源端時(shí)即被吸收，不再形成振鈴。因此，終端波形為為1V的階躍函數(shù)。的階躍函數(shù)。16第16頁/共96頁第十六頁，共97頁。5.4 求解(qi ji)驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗當(dāng)反射波最終到達(dá)源端時(shí)，將源端的輸出阻抗作為瞬態(tài)阻抗。假設(shè)器件等效電路模型為理想電壓源與內(nèi)阻(ni z)串聯(lián)，如圖所示。當(dāng)它驅(qū)動(dòng)一個(gè)高阻抗時(shí)，可以得到源輸出電壓。如果在輸出端串聯(lián)一個(gè)Rt=10W的小電阻，測(cè)量該電阻電壓Vt，可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻(ni z)Rs。17接有終端電阻的輸出驅(qū)動(dòng)器簡單(jindn)模型。1totsVVRRRs表示

13、驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻；Rt表示輸出端連接的終端電阻；Vo表示驅(qū)動(dòng)器的開路輸出電壓；Vt表示終端電阻兩端的電壓。第17頁/共96頁第十七頁，共97頁。5.4 求解(qi ji)驅(qū)動(dòng)源內(nèi)阻抗下圖給出了用CMOS驅(qū)動(dòng)器模型仿真的輸出電壓。其中，開路電壓為連接的10W電阻兩端電壓為。由上式可以(ky)計(jì)算出內(nèi)阻： 10。18驅(qū)動(dòng)器分別(fnbi)連接電阻10kW和10W時(shí)的輸出電壓。由這兩個(gè)電壓計(jì)算驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻。第18頁/共96頁第十八頁，共97頁。5.5 反彈(fn dn)圖 進(jìn)入傳輸線的實(shí)際電壓即入射電壓，入射電壓是由源電壓、內(nèi)阻和傳輸線阻抗組成分壓器決定的。如果已知傳輸線的時(shí)延TD、信號(hào)所通過(tnggu)

14、各區(qū)域的阻抗和驅(qū)動(dòng)器的初始電壓，就可以計(jì)算出每個(gè)交界面的反射，也可以預(yù)測(cè)出任意一點(diǎn)的實(shí)時(shí)電壓。例如，源電壓是1V，內(nèi)阻是10W，則實(shí)際進(jìn)入時(shí)延為1ns的50W傳輸線的電壓是，這個(gè)信號(hào)就是沿傳輸線傳播的初始入射電壓。19第19頁/共96頁第十九頁，共97頁。5.5 反彈(fn dn)圖假設(shè)傳輸線的末端是開路，1ns后在線末端測(cè)得開路兩端的(dund)總電壓為兩個(gè)波之和，即0.84V+0.84V=。再過1ns，反射波到達(dá)源端，再次遇到阻抗突變（內(nèi)阻為10W）。源端的(dund)反射系數(shù)是，這時(shí)將有0.84V(-0.67)=反射回線遠(yuǎn)端。接著，這個(gè)新產(chǎn)生的波又會(huì)從遠(yuǎn)端反射回源端，即電壓將被反射回來。

15、這時(shí)線遠(yuǎn)端開路處將同時(shí)測(cè)得四個(gè)波：從一次行波中得到，從二次反射中得到的，故總電壓為。20第20頁/共96頁第二十頁，共97頁。5.5 反彈(fn dn)圖信號(hào)到達(dá)(dod)源端后仍然會(huì)再次反射，反射電壓是。在遠(yuǎn)端總電壓0.56V+0.37V2=，如此下去，反射可以用反彈圖或網(wǎng)格圖來表示，如圖所示。21利用反彈圖或網(wǎng)格(wn )圖分析多次反射和遠(yuǎn)端接收器的時(shí)變電壓。第21頁/共96頁第二十一頁，共97頁。5.5 反彈(fn dn)圖在上述情況下，內(nèi)阻小于傳輸線的特性阻抗，源端出現(xiàn)的是負(fù)反射，這將引起通常所說的振鈴現(xiàn)象。下圖給出了上例中，當(dāng)信號(hào)上升時(shí)間遠(yuǎn)小于傳輸線的時(shí)延時(shí)，傳輸線遠(yuǎn)端的電壓波形(b

16、 xn)。這是考慮了所有的多次反射和阻抗突變的情況下，用SPICE仿真器來預(yù)測(cè)遠(yuǎn)端的波形(b xn)。22利用網(wǎng)格圖仿真?zhèn)鬏斁€遠(yuǎn)端的(dund)電壓。用SPICE仿真得到。第22頁/共96頁第二十二頁，共97頁。5.5 反彈(fn dn)圖圖中有兩個(gè)重要的特性：第一，遠(yuǎn)端的電壓最終逼近源電壓1V，因?yàn)樵撾娐肥情_路的。所以，這是一個(gè)必然的結(jié)果(ji gu)，即源電壓最終是加在開路上。第二，開路處的實(shí)際電壓有時(shí)大于源電壓。源電壓僅1V，然而遠(yuǎn)端測(cè)得的最大電壓是。23第23頁/共96頁第二十三頁，共97頁。5.6 反射波形(b xn)仿真當(dāng)終端是阻抗較復(fù)雜(fz)的器件時(shí)，電路仿真計(jì)算比較簡單。24

17、內(nèi)阻10W驅(qū)動(dòng)器，特性阻抗50W傳輸線，SPICE仿真中可能出現(xiàn)的情況(qngkung)。上圖是信號(hào)上升時(shí)間不同時(shí)遠(yuǎn)端電壓；下圖是串聯(lián)的源端電阻不同時(shí)遠(yuǎn)端電壓。第24頁/共96頁第二十四頁，共97頁。5.6 反射波形(b xn)仿真內(nèi)阻、傳輸線特性阻抗、時(shí)延以及終端阻抗可以有很多種不同的組合方式，每一種都可以仿真。上圖分別給出了信號(hào)上升時(shí)間從上升到和源端端接阻抗從0W至90W范圍變化時(shí)，遠(yuǎn)端信號(hào)波形的變化。無論是使用SPICE電路仿真器還是行為級(jí)仿真器，都可以在考慮傳輸線所有特性的情況(qngkung)下對(duì)任意傳輸線電路的性能進(jìn)行仿真。25第25頁/共96頁第二十五頁，共97頁。5.7 使用T

18、DR測(cè)量(cling)反射TDR ( Time Domain Reflectometry )時(shí)域反射測(cè)量TDR能夠發(fā)射邊沿快速上升的階躍信號(hào)，上升邊沿一般為35ps到150ps，然后測(cè)量反射的瞬態(tài)幅度，利用反射電壓得到被測(cè)器件的阻抗?？梢哉J(rèn)為TDR是一個(gè)快速階躍信號(hào)發(fā)生器和高速(o s)采樣示波器。26第26頁/共96頁第二十六頁，共97頁。5.7 使用(shyng)TDR測(cè)量反射下圖為TDR內(nèi)部工作(gngzu)情況的示意圖。27TDR內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：一個(gè)高速脈沖發(fā)生器產(chǎn)生(chnshng)快速上升的電壓脈沖，該脈沖流經(jīng)精確的50W電阻，該電阻串聯(lián)一個(gè)很短的50W同軸電纜，最后接到前面板的SMA

19、端上。待測(cè)器件(DUT Device Under Test )則插在該SMA上。然后用高速采樣示波器測(cè)得內(nèi)部總電壓并顯示。第27頁/共96頁第二十七頁，共97頁。5.7 使用TDR測(cè)量(cling)反射信號(hào)源輸出階躍信號(hào)約400mV，經(jīng)過50W校準(zhǔn)電阻。緊靠該電阻是測(cè)試點(diǎn)，高速采樣放大器測(cè)該點(diǎn)電壓值。一根短同軸電纜(tn zhu din ln)，連接到前面板SMA插頭上。DUT就插在該SMA插頭上。信號(hào)從源端注入DUT，在采樣點(diǎn)處探測(cè)反射信號(hào)。測(cè)試點(diǎn)處有兩個(gè)電阻，第一個(gè)電阻是內(nèi)部校準(zhǔn)電阻，第二個(gè)是TDR內(nèi)部的傳輸線。在測(cè)試點(diǎn)，測(cè)得的電壓為:400mV50W/(50W+50W)=200mV，并在

20、高速采樣示波器中顯示出來。信號(hào)繼續(xù)沿內(nèi)部同軸電纜(tn zhu din ln)到達(dá)DUT 。28第28頁/共96頁第二十八頁，共97頁。5.7 使用TDR測(cè)量(cling)反射如果DUT是一個(gè)50W的終端，則此處沒有反射信號(hào)，所以采樣點(diǎn)處僅有的電壓為前向波，其電壓恒定為200mV。如果DUT為開路，DUT處的反射電壓為200mV。經(jīng)過( jnggu)很短的時(shí)間后，該200mV反射信號(hào)返回到采樣點(diǎn)，此時(shí)測(cè)量并顯示的是200mV入射電壓與200mV反射電壓之和，即400mV。如果DUT為短路，DUT處的反射電壓為-200mV。經(jīng)過( jnggu)很短的時(shí)間后，該-200mV反射信號(hào)返回到采樣點(diǎn)，此

21、時(shí)測(cè)量并顯示的是200mV入射電壓與-200mV反射電壓之和，即0V。29第29頁/共96頁第二十九頁，共97頁。5.7 使用(shyng)TDR測(cè)量反射30當(dāng)DUT開路和短路(dunl)時(shí)測(cè)得的TDR相應(yīng)。第30頁/共96頁第三十頁，共97頁。5.7 使用(shyng)TDR測(cè)量反射TDR可以測(cè)量出連接在儀器前端SMA插頭上的各種互連所產(chǎn)生的反射電壓，以及信號(hào)(xnho)沿互連線傳播的過程中，在所有突變處產(chǎn)生反射時(shí)，該電壓隨時(shí)間的變化情況。當(dāng)需要了解自身沒有電壓源的無源互連線特性時(shí)，TDR是最合適的測(cè)量儀器。在測(cè)量有源電路的實(shí)際電壓時(shí)，帶高阻抗探針的高速示波器則是最合適的工具。31第31頁/

22、共96頁第三十一頁，共97頁。5.7 使用(shyng)TDR測(cè)量反射當(dāng)傳輸信號(hào)繼續(xù)沿DUT傳播時(shí)，如果有其它的瞬態(tài)阻抗發(fā)生改變的區(qū)域，那么新的反射電壓就會(huì)產(chǎn)生，此電壓將返回內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)處并顯示出來。入射信號(hào)沿著互連線傳播，同時(shí)反射信號(hào)沿著互連線返回到測(cè)試點(diǎn)，所以從顯示器上看到的時(shí)延正好是任意突變點(diǎn)的往返時(shí)延。例如(lr)，如果DUT是均勻的4in長、50W的傳輸線，因?yàn)樗ǔ２皇蔷_的50W。這樣，最初在DUT的入口處會(huì)有一個(gè)很小的反射電壓，而當(dāng)入射信號(hào)到達(dá)遠(yuǎn)端開路處時(shí)，就會(huì)有一個(gè)較大的反射信號(hào)返回測(cè)試點(diǎn)。32第32頁/共96頁第三十二頁，共97頁。5.7 使用TDR測(cè)量(cling)反射如果

23、傳輸線DUT不是50W ，那么(n me)在傳輸線DUT的兩端就會(huì)發(fā)生多次反射。TDR顯示的是所有返回內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)的疊加。下圖給出了末端開路時(shí)，TDR對(duì)50W傳輸線DUT和15W傳輸線DUT的響應(yīng)情況。33左圖時(shí)基200ps/div，右圖時(shí)基5ns/div第33頁/共96頁第三十三頁，共97頁。5.8 傳輸線的非故意突變(tbin)阻抗改變，必有反射。要預(yù)測(cè)阻抗突變，就要選擇合適的設(shè)計(jì)方案。但是，即使電路板設(shè)計(jì)時(shí)采用可控阻抗互連線，信號(hào)在下列非故意情況時(shí)仍然會(huì)遇到阻抗的突變：線的末端；封裝引線；輸入門電容(dinrng)；信號(hào)層間的過孔；拐角；樁線（stub）；分支；測(cè)試焊盤；返回路徑上的

24、間隙；過孔區(qū)域中的頸狀；線交叉。34第34頁/共96頁第三十四頁，共97頁。5.8 傳輸線的非故意突變(tbin)常用三種等效電路模型描述非故意突變：短傳輸線（串聯(lián)或并聯(lián)）；理想電容；理想電感。下圖給出了線兩端或中間可能(knng)的等效電路模型。突變引起的信號(hào)失真程度受兩個(gè)最重要參數(shù)的影響：信號(hào)的上升時(shí)間（內(nèi)因）和阻抗突變的大小（外因）。電感和電容的瞬態(tài)阻抗與電流、電壓的瞬時(shí)變化率有關(guān)，因此反射系數(shù)隨信號(hào)上升時(shí)間不同而不同。反射電壓值與信號(hào)上升時(shí)間有關(guān)。35第35頁/共96頁第三十五頁，共97頁。5.8 傳輸線的非故意突變(tbin)36用傳輸線電路來示例三種特殊(tsh)阻抗突變的情況：短

25、傳輸線的串聯(lián)和并聯(lián)、并聯(lián)電容、串聯(lián)電感。第36頁/共96頁第三十六頁，共97頁。5.8 傳輸線的非故意突變(tbin)設(shè)計(jì)一個(gè)絕對(duì)沒有反射的互連線是不可能的！多大的噪聲是可以接受的，多大的噪聲是過量的呢？這很大程度上取決于噪聲預(yù)算和每個(gè)噪聲源會(huì)分配多大的噪聲電壓。只有把產(chǎn)生突變的物理結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電路模型并進(jìn)行仿真，才能充分明白這些因素以及阻抗突變所產(chǎn)生的影響，而經(jīng)驗(yàn)法則只能在問題產(chǎn)生時(shí)提供工程預(yù)見(yjin)和大致策略。37第37頁/共96頁第三十七頁，共97頁。5.8 傳輸線的非故意突變(tbin)除非特別指定，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，反射噪聲應(yīng)被控制(kngzh)在電壓擺幅的10%之內(nèi)。對(duì)于信號(hào)，反

26、射噪聲應(yīng)該被控制(kngzh)在330mV之內(nèi)。某些噪聲預(yù)算可能更加保守，反射噪聲僅分配了5%。一般來說，噪聲預(yù)算要求越嚴(yán)，解決方案就越昂貴。通常，只關(guān)心那些接近或超過信號(hào)擺幅10%的噪聲。38第38頁/共96頁第三十八頁，共97頁。5.9 傳輸線多長時(shí)需要端接(dun ji)匹配信號(hào)在遠(yuǎn)端高阻抗開路端和近端低阻抗驅(qū)動(dòng)(q dn)間反彈。如果導(dǎo)線短，雖然發(fā)生反射，但它們被上升或下降沿掩蓋了。下圖為時(shí)延為上升時(shí)間20%、30%和40%時(shí)接收端波形。39在遠(yuǎn)端開路時(shí)的100MHz時(shí)鐘波形。時(shí)延超過(chogu)上升時(shí)間20%時(shí)，振鈴可能引起問題。第39頁/共96頁第三十九頁，共97頁。5.9 傳輸

27、線多長時(shí)需要(xyo)端接匹配對(duì)于的上升沿，當(dāng)互連線時(shí)延大于（即20%）時(shí)，所有的反射都將發(fā)生，它們每（即往返時(shí)間）完成一個(gè)來回振蕩。如果時(shí)延遠(yuǎn)小于上升時(shí)間，那么多次反射將被掩蓋在上升沿中，不會(huì)引起問題。但如果時(shí)延超過上升時(shí)間的20%，振鈴就開始有明顯的效果。當(dāng)傳輸線時(shí)延大于信號(hào)上升時(shí)間20%時(shí)，就要開始考慮由于導(dǎo)線沒有(mi yu)終端端接而產(chǎn)生的振鈴噪聲。如果傳輸線時(shí)延小于信號(hào)上升時(shí)間20%時(shí)，振鈴噪聲可以忽略，傳輸線不需要終端端接（即線較短時(shí)）。40第40頁/共96頁第四十頁，共97頁。5.9 傳輸線多長時(shí)需要端接(dun ji)匹配如果上升時(shí)間是1ns，沒有終端端接的傳輸線最大時(shí)延是1

28、ns20%=0.2ns ，在FR4中，信號(hào)傳播速度大約為6in/ns，所以(suy)沒有終端端接的傳輸線的最大長度約為。所以(suy)為了避免反射，沒有終端端接時(shí)的傳輸線的最大長度大約為：41RTLenmaxLenmax表示沒有(mi yu)終端端接的傳輸線最大長度，單位為in；RT表示信號(hào)上升時(shí)間，單位為ns。第41頁/共96頁第四十一頁，共97頁。5.9 傳輸線多長時(shí)需要(xyo)端接匹配42在FR4中沒有終端端接的傳輸線最大長度的英寸值等于信號(hào)上升時(shí)間的納秒值。若時(shí)鐘頻率是10MHz，時(shí)鐘周期是100ns，如果上升時(shí)間約為10ns，那么沒有終端端接時(shí)傳輸線最大長度為10in。當(dāng)信號(hào)上升時(shí)

29、間變?yōu)?，為了避免振鈴噪聲造成大的影響，沒有終端端接時(shí)傳輸線的最大長度大約(dyu)為0.25in(6.35mm)！幾乎所有互連線的長度都大于這個(gè)值。所以對(duì)于目前和未來的所有產(chǎn)品，端接策略是必須的。第42頁/共96頁第四十二頁，共97頁。5.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)?tu p)通用源端端接策略振鈴是由源端和遠(yuǎn)端的阻抗突變、兩端之間不斷往復(fù)多次反射引起的。所以，至少在一端消除反射，就可以減小振鈴噪聲(zoshng)?？刂苽鬏斁€一端或兩端的阻抗，從而減小反射的方法稱為傳輸線的端接。典型的方法是在重要位置上放置一個(gè)或多個(gè)電阻。一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一個(gè)接收器的情況稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下圖示例了端接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四

30、種方法。最常用的方法是將電阻串聯(lián)在驅(qū)動(dòng)器端，這稱為源端串聯(lián)端接。端接電阻與驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻之和應(yīng)等于傳輸線的特性阻抗。43第43頁/共96頁第四十三頁，共97頁。5.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ?tngyng)源端端接策略44點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)四種常用(chn yn)端接，第一種源端最常用(chn yn)。第44頁/共96頁第四十四頁，共97頁。5.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私?dun ji)策略如果驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻為10W，傳輸線特性阻抗是50W，那么端接電阻大約為40W。驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生1V信號(hào)遇到50W電阻和50W傳輸線的分壓器，這樣，將到達(dá)傳輸線。反射信號(hào)返回(fnhu)源端到達(dá)串聯(lián)端接電阻時(shí)，往源端看進(jìn)去的阻抗就

31、是40W串聯(lián)電阻加上10W內(nèi)阻，即50W，不會(huì)產(chǎn)生反射，被完全吸收。這時(shí)在遠(yuǎn)端看到的是1V信號(hào)而沒有反射。下圖給出了當(dāng)有和沒有40W源端串聯(lián)端接時(shí)，傳輸線遠(yuǎn)端的波形。45第45頁/共96頁第四十五頁，共97頁。5.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ迷炊硕私?dun ji)策略46傳輸線分別有和沒有源端串聯(lián)端接電阻時(shí)，其遠(yuǎn)端的快速上升(shngshng)邊的電壓信號(hào)。第46頁/共96頁第四十六頁，共97頁。5.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ?tngyng)源端端接策略在源端，必須等待反射波的到來，等待的時(shí)間等于往返時(shí)間，所以串聯(lián)電阻之后(zhhu)的源端電壓將形成臺(tái)階形狀。相對(duì)于信號(hào)上升時(shí)間，往返時(shí)延越長，臺(tái)階形狀就持

32、續(xù)的越長。下圖給出了源端測(cè)得的電壓。只要在源端附近沒有別的接收器接收到該臺(tái)階形狀，就不會(huì)引發(fā)問題。否則就要使用其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和終端端接方案。47第47頁/共96頁第四十七頁，共97頁。5.10 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)渫ㄓ?tngyng)源端端接策略 下例中，都假設(shè)源阻抗已經(jīng)與傳輸線的特性阻抗50W相匹配。末端是直接提升(tshng)，在源端反而是臺(tái)階提升(tshng)！48傳輸線具有源端40W串聯(lián)(chunlin)電阻，隨著線長度的增加，在源端測(cè)得的100MHz時(shí)鐘信號(hào)。信號(hào)上升時(shí)間為。第48頁/共96頁第四十八頁，共97頁。5.11 短串接傳輸線的反射(fnsh)電路板上線條常常要通過過孔區(qū)域（過孔就是傳

33、輸中的瓶頸），或是要在元件密集區(qū)域布線(b xin)。此時(shí)線寬必然變窄，特性阻抗變大。短傳輸線對(duì)信號(hào)影響的三個(gè)特性是（兩外因：長度、寬度，一內(nèi)因：信號(hào)的上升時(shí)間）：突變段引起的時(shí)延（TD，長度）；突變段的特性阻抗（Z0，寬度）；信號(hào)的上升時(shí)間（RT，上升邊）。如果時(shí)延大于上升時(shí)間，從電氣上講突變段就較長，反射系數(shù)將很大，反射系數(shù)的作用就很明顯。49第49頁/共96頁第四十九頁，共97頁。5.11 短串接傳輸線的反射(fnsh)如果線條的形狀造成阻抗從50W變?yōu)?5W，反射系數(shù)將為。下圖給出了一些(yxi)較長的傳輸線長的突變?cè)斐傻姆瓷湫盘?hào)和傳輸信號(hào)。50在傳輸線電路中，有一段電氣上較長且均勻的

34、突變。當(dāng)突變的阻抗(zkng)變化時(shí)，傳輸線上的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)（長串接阻抗(zkng)變化單因素圖）。第50頁/共96頁第五十頁，共97頁。5.11 短串接傳輸線的反射(fnsh)阻抗突變引起了信號(hào)來回振蕩，從而形成了反射噪聲。這就是要設(shè)計(jì)均勻( jnyn)特性阻抗互連線的原因。為了保持反射噪聲低于電壓擺幅5% ，就需要保證特性阻抗的變化率小于10%，這就是為什么電路板上阻抗的典型指標(biāo)為10%！51第51頁/共96頁第五十一頁，共97頁。5.11 短串接傳輸線的反射(fnsh)52一段短且均勻的突變。當(dāng)突變段的時(shí)延從信號(hào)上升時(shí)間的0%上升到40%時(shí)，傳輸線上的反射(fnsh)信號(hào)和傳輸信號(hào)

35、。第52頁/共96頁第五十二頁，共97頁。5.11 短串接傳輸線的反射(fnsh) 在中間插入一段異變傳輸線時(shí)，不管在第一個(gè)界面處發(fā)生的反射如何，它總是在與第二個(gè)界面處發(fā)生的反射大小相等，方向相反，因?yàn)閆1和Z2值互換了。這樣，如果突變(tbin)段長度很短，來自兩端的反射就可以互相抵消，對(duì)信號(hào)完整性的影響就可以忽略。如上圖所示。如果突變(tbin)段的時(shí)延小于信號(hào)上升時(shí)間20%，它就不會(huì)造成問題。得到相同的經(jīng)驗(yàn)法則，可允許的阻抗突變(tbin)最大長度為：53RTLenmax如果突變段的時(shí)延小于信號(hào)上升時(shí)間20%，突變對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成的影響可以忽略。經(jīng)驗(yàn)法則：突變段的長度（in）應(yīng)小于信號(hào)上升

36、時(shí)間（ns）。例如信號(hào)上升時(shí)間為，則長度小于0.5in(12.7mm)的連線就不會(huì)(b hu)產(chǎn)生信號(hào)完整性問題。第53頁/共96頁第五十三頁，共97頁。5.12 短樁線傳輸線的反射(fnsh)傳輸線中常常加上分支使信號(hào)到達(dá)多個(gè)(du )輸出端。如果分支很短，稱為樁線（stubs）。因?yàn)樗械姆瓷涠急仨毧紤]，所以樁線的影響很復(fù)雜。信號(hào)離開驅(qū)動(dòng)器后，遇到了分支點(diǎn)。這時(shí)信號(hào)遇到的是兩段傳輸線的并聯(lián)阻抗，此阻抗較低，所以產(chǎn)生的負(fù)反射將回到源端。另一部分信號(hào)將沿兩個(gè)分支繼續(xù)傳播。當(dāng)樁線上的信號(hào)到達(dá)樁線末端時(shí)，它將反射回分支點(diǎn)。然后，再從分支點(diǎn)反射到樁線末端，就這樣在樁線上來回振蕩。同時(shí)，每當(dāng)與分支點(diǎn)發(fā)

37、生交互時(shí)，樁線中的部分信號(hào)將回到源端和遠(yuǎn)端。每個(gè)交界處都是一個(gè)反射點(diǎn)。54第54頁/共96頁第五十四頁，共97頁。5.12 短樁線傳輸線的反射(fnsh) 決定樁線對(duì)信號(hào)影響程度的兩個(gè)重要因素是信號(hào)上升時(shí)間和樁線的長度。假設(shè)樁線位于傳輸線的中間，并且(bngqi)其特性阻抗和主線的相同。圖給出了當(dāng)樁線長度從上升時(shí)間20%到60%時(shí)，仿真得到的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。55傳輸線電路中間有短樁線，而且樁線時(shí)延從信號(hào)(xnho)上升時(shí)間20%到60%時(shí)，傳輸線上的反射信號(hào)(xnho)和傳輸信號(hào)(xnho)。第55頁/共96頁第五十五頁，共97頁。5.12 短樁線傳輸線的反射(fnsh)一個(gè)大致的經(jīng)驗(yàn)法則

38、：如果樁線長度小于信號(hào)上升邊的空間延伸20%，其影響可以忽略。否則它對(duì)信號(hào)質(zhì)量就會(huì)有很大的影響，這時(shí)必須通過仿真來估計(jì)它是否可以接受。例如(lr)，如果驅(qū)動(dòng)器的上升時(shí)間是1ns，則可以使用時(shí)延小于的樁線，其長度大約為1in。又得到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則：56RTLstubmaxLstubmax表示樁線可允許(ynx)的最大長度，單位為in；RT表示信號(hào)上升時(shí)間，單位為ns。第56頁/共96頁第五十六頁，共97頁。5.13 容性終端負(fù)載(fzi)的反射實(shí)際接收器有門輸入電容(dinrng)（約為2pF），另外接收器封裝引線與返回路徑間約有1pF電容(dinrng)，如果傳輸線末端排列三個(gè)存儲(chǔ)器件，則負(fù)載可

39、能為10pF。信號(hào)沿傳輸線到達(dá)末端理想電容(dinrng)時(shí)，決定反射系數(shù)的瞬態(tài)阻抗將隨時(shí)間變化：時(shí)域中電容(dinrng)的阻抗為：57dtdVCVZ 第57頁/共96頁第五十七頁，共97頁。5.13 容性終端負(fù)載(fzi)的反射如果信號(hào)上升時(shí)間小于電容的充電(chng din)時(shí)間常數(shù)，那么最初電容器兩端的電壓將迅速上升，這時(shí)阻抗很小。隨著電容器充電(chng din)，電容器兩端的電壓變化率dV/dt緩慢下降，這時(shí)電容器阻抗明顯增大。如果時(shí)間足夠長，電容器充電(chng din)達(dá)到飽和，那么電容器就相當(dāng)于開路。因此反射系數(shù)隨時(shí)間變化。反射信號(hào)先下跌再上升到開路情形（相當(dāng)于近于短路，凹下

40、去，最終相當(dāng)于開路）這個(gè)精確波形是由傳輸線特性阻抗、電容器電容量和信號(hào)上升時(shí)間決定。58dtdVCVZ 第58頁/共96頁第五十八頁，共97頁。5.13 容性終端(zhn dun)負(fù)載的反射下圖給出了電容器分別為2pF、 5pF和10pF時(shí)，仿真得到(d do)的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)的波形。59對(duì)于上升時(shí)間為的信號(hào)，當(dāng)傳輸線電路(dinl)遠(yuǎn)端容性負(fù)載的電容量分別為2pF、 5pF和10pF時(shí)，傳輸線上的反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。第59頁/共96頁第五十九頁，共97頁。5.13 容性終端負(fù)載(fzi)的反射傳輸電壓模式的長期效果就像是通過電阻向電容器充電。電容器對(duì)信號(hào)上升沿進(jìn)行濾波，對(duì)接收端信號(hào)來說，

41、它就相當(dāng)于一個(gè)(y )“時(shí)延累加器”。與RC電路充電方式非常相似，而RC電路中電容器兩端的電壓隨時(shí)間常數(shù)的指數(shù)增加，根據(jù)這一關(guān)系，可以估計(jì)出新信號(hào)升至幅度中間值的時(shí)延增加量，即時(shí)延累加。這時(shí)的時(shí)間常數(shù)為：10%90%的上升時(shí)間與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系為：60RCeRC222290109010.第60頁/共96頁第六十頁，共97頁。5.13 容性終端(zhn dun)負(fù)載的反射 在帶容性負(fù)載的傳輸線末端，電壓的變化就是對(duì)RC的充電過程，其中C是負(fù)載的電容，R即傳輸線的特性阻抗Z0，則 如果傳輸線的特性阻抗為50W，電容為10pF，則10-90充電時(shí)間(shjin)約為。如果初始信號(hào)的上升時(shí)間(shjin

42、)小于，則傳輸線末端的容性負(fù)載將占主導(dǎo)地位并決定接收端的上升時(shí)間(shjin)。如果初始信號(hào)的上升時(shí)間(shjin)大于10-90充電時(shí)間(shjin)，該末端電容將使信號(hào)的上升時(shí)間(shjin)累加上10-90充電時(shí)間(shjin)。 必須重視由傳輸線的特性阻抗和輸入接收器的容性負(fù)載決定的10-90充電上升時(shí)間(shjin)。當(dāng)10-90RC上升時(shí)間(shjin)與初始信號(hào)的上升時(shí)間(shjin)相當(dāng)時(shí)，遠(yuǎn)端的容性負(fù)載就對(duì)時(shí)序有明顯的影響。61CZ0901022.第61頁/共96頁第六十一頁，共97頁。5.14 連線中途的容性負(fù)載(fzi)反射 測(cè)試焊盤、過孔、封裝引線或中途短樁線，都起著集

43、總電容器的作用。如果在靠近線條的前端處接有接收器，信號(hào)邊沿(binyn)下滑會(huì)產(chǎn)生問題。62第62頁/共96頁第六十二頁，共97頁。5.14 連線(lin xin)中途的容性負(fù)載反射對(duì)于遠(yuǎn)端，第一次經(jīng)過電容的傳輸信號(hào)并沒有受到太大影響。當(dāng)信號(hào)在末端發(fā)生反射后，它將向源端方向返回。這一次它到達(dá)電容器時(shí)，帶負(fù)值符號(hào)的部分信號(hào)將又反射回遠(yuǎn)端。這些反射回接收器的信號(hào)為負(fù)電壓，使接收端信號(hào)下降形成下沖。電容量越大，阻抗越小，負(fù)反射電壓越大，接收端的下沖也越大。上升時(shí)間越短，電容器阻抗越小，下沖就越大。如果對(duì)于上升時(shí)間RT，電容量Cmax勉強(qiáng)可以接受(jishu)，這時(shí)如果上升時(shí)間減小，最大可允許的電容量

44、也必須減小。上升時(shí)間與電容量比值的單位是歐姆，這正是時(shí)域中電容器的阻抗：63dtdVCVZcap 第63頁/共96頁第六十三頁，共97頁。5.14 連線中途的容性負(fù)載(fzi)反射因?yàn)?yn wi)，如果信號(hào)是線性上升邊，而且其上升時(shí)間是RT，則dV/dt等于V/RT，則電容器阻抗為：信號(hào)上升過程中，信號(hào)路徑與返回路徑之間好像存在一個(gè)并聯(lián)阻抗Zcap，并引起反射。64CRTRTVCVZcap第64頁/共96頁第六十四頁，共97頁。5.14 連線(lin xin)中途的容性負(fù)載反射為了避免(bmin)該阻抗造成嚴(yán)重問題，要求該阻抗大于傳輸線阻抗，即ZcapZ0，開始時(shí)，Zcap5Z0對(duì)電容器和上

45、升時(shí)間的要求用以下公式表示：65000555ZRTCZCRTZZcapmaxmax第65頁/共96頁第六十五頁，共97頁。5.14 連線中途(zhngt)的容性負(fù)載反射如果特性阻抗是50W，則所允許的最大電容為：為了避免容性突變?cè)斐蛇^量的下沖噪聲，應(yīng)使電容量（pF）低于信號(hào)(xnho)上升時(shí)間（ns）的4倍。這一粗略的限制說明如果系統(tǒng)上升時(shí)間為1ns，則不會(huì)影響信號(hào)(xnho)質(zhì)量的容性突變約為4pF。66RTRTC0040505.max第66頁/共96頁第六十六頁，共97頁。5.15 連線中途(zhngt)容性負(fù)載的時(shí)延累加容性負(fù)載產(chǎn)生(chnshng)的第一類影響是接收端的下沖噪聲。第二類

46、影響則是遠(yuǎn)端信號(hào)接收時(shí)間的延遲和相應(yīng)緩慢。因?yàn)殡娙菖c傳輸線如同一個(gè)RC濾波器，所以傳輸信號(hào)的10-90上升時(shí)間將增加，信號(hào)超過電壓門限50%的時(shí)間也會(huì)滯后。傳輸信號(hào)的10-90上升時(shí)間約為：50%處的時(shí)延累加量稱為時(shí)延累加，約為：67CZCZ/.00222229010RCRTC/2Z0RCTD其中：RT10-90表示信號(hào)上升時(shí)間的10%到90%，單位為ns；DT表示通過電壓門限(mnxin)50%的時(shí)延增加量，單位為ns；Z0表示傳輸線的特性阻抗，單位為W。C表示容性突變，單位為nF。系數(shù)1/2是因?yàn)閭鬏斁€的前一半是電容充電，后一般則使電容放電。所以使電容充電的有效阻抗實(shí)際上是特性阻抗的1/2

47、。第67頁/共96頁第六十七頁，共97頁。5.15 連線(lin xin)中途容性負(fù)載的時(shí)延累加信號(hào)上升時(shí)間為50ps時(shí)，50W導(dǎo)線中的不同容性突變所引起的接收端時(shí)延增量(zn lin)，分別為50ps、125ps和250ps。68第68頁/共96頁第六十八頁，共97頁。5.15 連線(lin xin)中途容性負(fù)載的時(shí)延累加 例如，50W傳輸線中，對(duì)于2pF容性突變，傳輸信號(hào)的10-90上升時(shí)間約增加502pF=100ps，50%門限的時(shí)延累加約為0.5502pF=50ps，上圖給出了對(duì)于三個(gè)不同(b tn)的容性突變，接收端信號(hào)到達(dá)50%門限時(shí)，仿真得到的上升時(shí)間和時(shí)延。 很難使測(cè)試焊盤、接

48、插件焊盤和過孔引起的容性突變低于1pF。每1pF焊盤約增加0.5501pF=25ps時(shí)延。 使用低特性阻抗（例如RAMBUS選擇28W）是減小時(shí)延累加影響的一種方法。對(duì)于同樣的容性突變，特性阻抗越低，時(shí)延累加就越小。69第69頁/共96頁第六十九頁，共97頁。5.16 拐角(guijio)和過孔的影響70兩個(gè)(lin )臨近的90度拐角、 65mil寬的50W均勻傳輸線上TDR響應(yīng)。原信號(hào)上升時(shí)間為50ps。第70頁/共96頁第七十頁，共97頁。5.16 拐角(guijio)和過孔的影響 任何均勻互連線中90度拐角一定會(huì)造成阻抗突變。 將90度拐角變成兩個(gè)45度拐角就可以減少這種影響，而使用線

49、寬固定的弧形拐角比其它任何形狀的效果(xiogu)要好得多。 彎曲處的額外線寬是使拐角影響信號(hào)傳輸?shù)奈ㄒ灰蛩?，它如同一個(gè)容性突變。正是這個(gè)容性突變引起了反射和傳輸信號(hào)的時(shí)延累加。71第71頁/共96頁第七十一頁，共97頁。5.16 拐角(guijio)和過孔的影響如果拐角處導(dǎo)線的線寬固定，那么整根導(dǎo)線的線寬沒有變化，不會(huì)(b hu)產(chǎn)生反射?？梢源致缘毓烙?jì)拐角處的額外金屬；右圖舉例說明了拐角是正方形的一部分。拐角肯定小于正方形，可以把它粗略近似成一個(gè)正方形金屬的一半。72拐角的額外( wi)區(qū)域可簡單估計(jì)為正方形的一半相當(dāng)于均勻傳輸線的中途掛了一個(gè)的小電容第72頁/共96頁第七十二頁，共97頁

50、。5.16 拐角(guijio)和過孔的影響根據(jù)正方形的電容量和導(dǎo)線的單位長度電容，可以(ky)估計(jì)出拐角的電容量：Ccorner=0.5Csq=0.5CLw導(dǎo)線的單位長度電容與特性阻抗之間的關(guān)系為：從而拐角處的電容量大約估計(jì)為：73083ZCrLw.倍線寬24083505000ZwZwwCCrrLcorner其中：CL表示單位長度(chngd)電容，單位為pF/in；W表示導(dǎo)線的線寬，單位為in；Z0表示導(dǎo)線的特性阻抗；er表示介電常數(shù)。第73頁/共96頁第七十三頁，共97頁。5.16 拐角(guijio)和過孔的影響74有兩個(gè)(lin )臨近的90度拐角、65mil寬的50W均勻傳輸線實(shí)測(cè)

51、和仿真的TDR響應(yīng)。源信號(hào)的上升時(shí)間約為50ps。圖中基于電容的仿真結(jié)果明顯略微下移。第74頁/共96頁第七十四頁，共97頁。5.16 拐角(guijio)和過孔的影響 上圖對(duì)比了測(cè)量響應(yīng)和中間有200fF集總電容(dinrng)的均勻傳輸線的仿真響應(yīng)。兩者非常吻合說明了兩個(gè)拐角造成的突變可以用一個(gè)200fF電容(dinrng)來模擬，它同200fF電容(dinrng)的簡單模型非常接近。由此可以得到一個(gè)簡單易記的經(jīng)驗(yàn)法則：50W傳輸線上一個(gè)拐角的電容(dinrng)量（fF，10-15F）約等于兩倍線寬(mil)。對(duì)于高密度電路板中線寬為5mil的典型信號(hào)線，一個(gè)拐角的電容(dinrng)量

52、大約為10fF(0.01pF)，該電容(dinrng)產(chǎn)生的反射噪聲如果對(duì)信號(hào)上升時(shí)間有影響，其數(shù)量級(jí)一定要在3ps左右，而此電容(dinrng)引起的時(shí)延累加大約為，所以，如果信號(hào)的上升邊大于10ps，那么5mil寬導(dǎo)線上拐角的電容(dinrng)量不太可能對(duì)信號(hào)完整性有很大的影響。75第75頁/共96頁第七十五頁，共97頁。5.16 拐角(guijio)和過孔的影響過孔的影響：過孔的電容量與筒狀孔壁的尺寸，以及頂層與底層的焊盤尺寸有密切的關(guān)系，其范圍從至大于1pF。任何與信號(hào)線連接的過孔都可以看作(kn zu)是容性突變。在高速串接中，是導(dǎo)線上信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)主要制約因素。76右圖給出了一塊

53、10層板中15in長的均勻?qū)Ь€上分別有和沒有通孔時(shí)，測(cè)得的TDR響應(yīng)，其中導(dǎo)線的阻抗(zkng)為58W，線寬為8mil，信號(hào)上升時(shí)間約為50ps。導(dǎo)線中，SMA接插件的過孔和線上通孔的電容量均為。第76頁/共96頁第七十六頁，共97頁。5.16 拐角(guijio)和過孔的影響過孔可以(ky)近似為電容，預(yù)測(cè)這單個(gè)過孔產(chǎn)生的時(shí)延累加大約為0.5500.4=10ps，下圖說明信號(hào)的時(shí)延比沒有過孔時(shí)多9ps，與經(jīng)驗(yàn)法則估值接近。77一個(gè)通孔和沒有孔時(shí)，沿均勻(jnyn)傳輸線傳播15in后的傳輸信號(hào)。圖中過孔的時(shí)延累加為9ps。第77頁/共96頁第七十七頁，共97頁。5.17 多容性負(fù)載(fzi

54、)均勻分布有載線如果在導(dǎo)線上分布了多個(gè)容性負(fù)載，而且間距小于上升邊的空間延伸，則每個(gè)容性突變處引起的反射就會(huì)相互(xingh)抵消。對(duì)于信號(hào)而言，當(dāng)上升時(shí)間小于電容間的時(shí)延時(shí)，每個(gè)突變都是彼此獨(dú)立的。當(dāng)上升時(shí)間大于電容間的時(shí)延時(shí)，低阻抗區(qū)域相互(xingh)交迭，導(dǎo)線的平均阻抗下降。 在有載線上，導(dǎo)線單位長度電容增加，特性阻抗降低，時(shí)延變長。均勻的無載傳輸線，特性阻抗、時(shí)延與單位長度電容和單位長度電感之間的關(guān)系為：總時(shí)延78LLCLZ00LLCLLenTD00Z0表示無載傳輸線的特性阻抗，LL表示單位長度電感(din n)，單位為pH/in，C0L表示無載傳輸線的單位長度電容，單位為pF/in

55、，Len表示導(dǎo)線長度，單位為in，TD0表示無載傳輸線的時(shí)延，單位為ps。第78頁/共96頁第七十八頁，共97頁。5.17 多容性負(fù)載(fzi)均勻分布有載線若導(dǎo)線上每隔d1就有分布一個(gè)容性負(fù)載(fzi)C1 ，則導(dǎo)線的單位長度分布電容從上升到C0L上升到(C0L+C1/d1)，從而導(dǎo)線的特性阻抗和時(shí)延變?yōu)椋?00001101110101101011/1/()(/)(1/()LLloadLLLLoadLLLCLZZZCCdCCdCC dTDLen L CCdTDCC d79其中：Z0表示無載傳輸線的特性阻抗，單位為W；ZLoad0表示有載線的特性阻抗，單位為W；LL為單位長度(chngd)電感

56、，單位為pH/in；C0表示無載傳輸線單位長度(chngd)電容，單位為pF/in；C1每個(gè)分立的電容量，單位為pF；D1表示兩個(gè)分立電容之間的距離，單位為in；Len為導(dǎo)線長度(chngd)，單位為in；TD0表示無載傳輸線的時(shí)延，單位為ps； TDLoad為有載線區(qū)域的時(shí)延，單位為ps； 第79頁/共96頁第七十九頁，共97頁。5.17 多容性負(fù)載(fzi)均勻分布有載線 50W導(dǎo)線的單位長度電容約為，當(dāng)附加(fji)的分布式容性負(fù)載與此值相當(dāng)時(shí)，特性阻抗和時(shí)延就有明顯的改變。 隨著導(dǎo)線的特性阻抗的降低，用于終端端接的電阻也應(yīng)隨之降低?；蛘卟捎孟喾吹淖龇?，在有分布式電容的區(qū)域內(nèi)，通過減小線

57、寬，使無載阻抗變大。這樣最后的效果就使得有載線的阻抗接近于期望阻抗值。80第80頁/共96頁第八十頁，共97頁。5.18 感性(gnxng)突變產(chǎn)生的反射連接到傳輸線上的任何串聯(lián)連接都有相應(yīng)的串聯(lián)回路電感。所有改變信號(hào)所在層的過孔、串聯(lián)終端電阻、各種接插件、每一條飛線都有一些額外的回路電感，信號(hào)把這些回路電感認(rèn)為是附加在傳輸線上的突變。如果信號(hào)路徑上存在突變，則雖然信號(hào)路徑與返回路徑間有局部互感，回路電感也主要由信號(hào)路徑上的局部自感決定。如果返回路徑上存在突變，則返回路徑上的局部互感就決定回路電感。對(duì)于邊沿快速上升的入射信號(hào)，串聯(lián)回路電感最初像是一個(gè)(y )高阻抗元件，所以產(chǎn)生返回源端的正反射

58、。81第81頁/共96頁第八十一頁，共97頁。5.18 感性突變產(chǎn)生(chnshng)的反射下圖給出了在返回路徑上有一小(y xio)段間隙時(shí)，均勻傳輸線上的反射信號(hào)。82返回(fnhu)路徑上的間隙造成感性突變時(shí)，均勻傳輸線上產(chǎn)生的TDR反射信號(hào)。信號(hào)的上升時(shí)間約為50ps。第82頁/共96頁第八十二頁，共97頁。5.18 感性(gnxng)突變產(chǎn)生的反射83上升時(shí)間為50ps的信號(hào)分別通過電感值L=0，1，5，10nH的感性突變時(shí)，在源端和接收端的信號(hào)波形。近端信號(hào)的形狀為非單調(diào)先上升后下降。這一特性不會(huì)造成SI問題，但應(yīng)盡量避免，以免在近段造成誤觸發(fā)(chf)。在遠(yuǎn)端，傳輸信號(hào)出現(xiàn)過沖，

59、并有一個(gè)時(shí)延累加。第83頁/共96頁第八十三頁，共97頁。5.18 感性(gnxng)突變產(chǎn)生的反射按分立電感的串聯(lián)阻抗（等同于串聯(lián)電阻）突變上升到大于導(dǎo)線特性阻抗的20%為限，粗略地估算多大的電感算是太大。此時(shí)，反射(fnsh)信號(hào)大約為信號(hào)擺幅的10%，是可以允許的最大反射(fnsh)噪聲。（由反射(fnsh)系數(shù)公式，可知20的阻抗突變引起大約10的反射(fnsh)系數(shù)）當(dāng)信號(hào)的上升沿通過電感時(shí)，如果電感的阻抗小于特性阻抗，而且信號(hào)的上升沿是線性上升，則電感的阻抗約為：)(/RTLIdtdILIVZinductor84其中：Zinductor表示電感的阻抗(zkng)，單位為W；L表示電

60、感值，單位為nH；RT表示上升時(shí)間，單位為ns。第84頁/共96頁第八十四頁，共97頁。5.18 感性突變(tbin)產(chǎn)生的反射為了確保電感的阻抗(zkng)低于導(dǎo)線阻抗(zkng)的20%，可允許的最大感性突變約為：RTZLZRTLZZinductor000202020.max.)(max.85其中：Z0表示特性阻抗，單位為W；Lmax表示允許的最大串聯(lián)(chunlin)電感，單位為nH；RT表示上升時(shí)間，單位為ns。如果導(dǎo)線的特性阻抗為50W，信號(hào)上升時(shí)間為1ns，則 可 允 許 的 最 大 串 聯(lián) 電 感 約 為 ：Lmax=0.2501=10nH。第85頁/共96頁第八十五頁，共97頁