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一、信号完整性:特性阻抗.docx

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    • 一、信号完整性:特性阻抗时间:2009-04-16 20:28来源:未知 作者:于博士 点击:830次为信号在传输线上传播时,信号感受到的瞬态阻抗与单位长度电容和材料的 介电常数有关,可表示为: ① 如果PCBJL线条的厚度和宽度不变,并 且走线和返回平面间距离不变,那么信号感受到的瞬态阻抗就不变,传输线是均 匀的对于均匀传输线,恒定的瞬态阻抗说明了传输线的特性,称为特性阻抗如果PCB上线条的厚度增大或者宽度增加,单位长度电容增加,特性阻抗就 变小同样,走线和返回平面间距离减小,电容增大,特性阻抗也减小一个很重要的特性阻抗就是自由空间的特性阻抗,也叫自由空间的波阻抗, 在EMC中非常重要自由空间特性阻抗为= = 3770 o对于常见的FR4板材的PCB板上,刃G特性阻抗的典型结构如图所示对于 微带线,线宽W是介质厚度h的2倍对于带状线,线条两侧介质总厚度b是线宽W 的两倍microstripstripline图1FR4板材的PCB板上,特性阻抗传输线另一个特性是:单位长度电容二3・3pF/in单位长度电容=8. 3nII/in了解这些特殊的特性阻抗,对于设计电路板有一定的参考意义,能让我们在 制作电路前有个直觉的认识。

      精确地特性阻抗计算需要用场求解器推荐用Polar Instruments的ST9000 软件,大名鼎鼎,绝对精品本站提供下载,下载地址为:http://www. sig007. com/Tjxz/115・ html二、信号完整性:多长的走线才是传输线多长的走线才是传输线?这和信号的传播速度有关,在FR4板材上铜线条中信号速度为6in/nso简单 的说,只要信号在走线上的往返时间大于信号的上升时间,PCB±的走线就应当 做传输线来处理我们看信号在一段长走线上传播时会发生什么情况假设有一段60英寸长 的PCB走线,如图1所示,返回路径是PCB板内层靠近信号线的地平面,信号线 和地平面间在远端开路signal pathreturn pathLength 图1信号在这条走线上向前传播,传输到走线尽头需要10ns,返回到源端又需耍 10ns,则总的往返吋间是20ns如果把上面的信号往返路径看成普通的电流回 路的话,返冋路径上应该没有电流,因为在远端是开路的但实际情况却不是这 样,返回路径在信号上后最初的一段时间有电流在这段走线上加一个上升吋间为Ins的信号,在最初的Ins时间,信号还线 条上只走了 6英寸,不知道远端是开路还是短路,那么信号感觉到的阻抗有多大, 怎么确定?如果把信号往返路径看成普通的电流回路的话就会产生矛盾,所以, 必须按传输线处理。

      实际上,在信号线条和返回地平而间存在寄生电容,如图2所示当信号向 前传播过程中,A点处电压不断不变化,对于寄生电容来说,变化的电压意味着 产生电流,方向如图中虚线所示因此信号感受到的阻抗就是电容呈现出来的阻 抗,寄生电容构成了电流回流的路径信号在向前传播所经过的每一点都会感受 到一个阻抗,这个阻抗是变化的电床施加到寄生电容上产生的,通常叫做传输线 的瞬态阻抗出信号到达远端,远端的电压升至信号的最终电压后,电压不再变化虽然 寄生电容还是存在,但是没有电压的变化,电容相半于开路,这对应的就是直流 情况因此,这个信号路径短期的表现和长期的表现不一样,在起始一小段时间内, 表现就是传输线即使传输线远端开路,在信号跳变期间,传输线前段的性能也 会像一个阻值有限的电阻三、信号完整性:信号反射信号沿传输线向前传播时,每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗,这个阻抗可 能是传输线本身的,也可能是中途或末端其他元件的对于信号来说,它不会区 分到底是什么,信号所感受到的只有阻抗如果信号感受到的阻抗是恒定的,那 么他就会正常向前传播,只要感受到的阻抗发牛变化,不论是什么引起的(可能 是中途遇到的电阻,电容,电感,过孔,PCB转角,接插件),信号都会发生 反射。

      那么有多少被反射回传输线的起点?衡量信号反射量的重要指标是反射系数,表示反射电压和原传输信号电压的比值反射系数定义为: 其中:玉为变化前的阻抗,二为变化后的阻抗假设PCB线条的特性阻抗为 50欧姆,传输过程中遇到一•个100欧姆的贴片电阻,暂吋不考虑寄生电容电感 100-50 二 1的影响,把电阻看成理想的纯电阻,那么反射系数为:100+50" 3 ,信号 有1/3被反射回源端如果传输信号的电斥是3.3V电压,反射电压就是l.lVo 纯电阻性负载的反射是研究反射现彖的基础,阻性负载的变化无非是以下四 种情况:阻抗增加有限值、减小有限值、开路(阻抗变为无穷大)、短路(阻抗 突然变为0)阻抗增加有限值:反射电压上面的例子已经计算过了这时,信号反射点处就会有两个电压成 分,一部分是从源端传来的3.3V电压,另一部分是在反射电压1.1V,那么反射 点处的电压为二者之和,即4.4V阻抗减小有限值:仍按上面的例子,PCB线条的特性阻抗为50欧姆,如果遇到的电阻是30欧姆,则反射系数为30-50P= 30+50,反射系数为负值,说明反射电压为负电压,值为艮**°・同=782*此时反射点电压为3.3V+(-0.825V)=2.475Vo 开路:开路相当于阻抗无穷大,反射系数按公式计算为1。

      即反射电压3.3V反射 点处电压为6.6V可见,在这种极端情况下,反射点处电压翻倍了短路:短路吋阻抗为0,电压一定为0按公式计算反射系数为说明反射电压为 -3.3V,因此反射点电压为0计算非常简单,重要的是必须知道,由于反射现象的存在,信号传播路径中 阻抗发生变化的点,其电压不再是原来传输的电床这种反射电压会改变信号的 波形,从而可能会引起信号完整性问题这种感性的认识对研究信号完整性及设 计电路板非常重要,必须在头脑中建立起这个概念本文来源:于博士信号完整性研究网,欢迎转载,转载请注明出处四、信号完整性:信号振铃是怎么产生的时间:2009-04-21 17:22来源:未知 作者:于博士 点击:843次信号的反射可能会引起振铃现象,一个典型的信号振铃如图1所示那么信号振铃是怎么产生的呢?前而讲过,如果信号传输过程中感受到阻抗的变化,就会发生信号的反射 这个信号可能是驱动端发出的信号,也可能是远端反射回来的反射信号根据反 射系数的公式,肖信号感受到阻抗变小,就会发生负反射,反射的负电压会使信 号产生下冲信号在驱动端和远端负载之间多次反射,其结果就是信号振铃大 多数芯片的输出阻抗都很低,如果输出阻抗小于PCB走线的特性阻抗,那么在没 有源端端接的情况下,必然产生信号振铃。

      信号振铃的过程可以用反弹图来直观的解释假设驱动端的输出阻抗是 10欧姆,PCB走线的特性阻抗为50欧姆(可以通过改变PCB走线宽度,PCB走 线和内层参考平面间介质厚度來调整),为了分析方便,假设远端开路,即远端 阻抗无穷大驱动端传输3. 3V电压信号我们跟着信号在这条传输线中跑一次, 看看到底发生了什么?为分析方便,忽略传输线寄生电容和寄生电感的影响,只 考虑阻性负载图2为反射示意图第1次反射:信号从芯片内部发出,经过10欧姆输出阻抗和50欧姆PCB 特性阻抗的分压,实际加到PCB走线上的信号为A点电压3. 3*50/(10+50)=2. 75VO传输到远端B点,由于B点开路,阻抗无穷大,反射系 数为1,即信号全部反射,反射信号也是2. 75Vo此时B点测量电压是2. 75+2. 75=5. 5V第2次反射:2. 75V反射电压回到A点,阻抗由50欧姆变为10欧姆,发 生负反射,A点反射电压为T.83V,该电压到达B点,再次发生反射,反射电床 -1.83VO 此时 B 点测量电压为 5. 5-1. 83-1. 83=1. 84Vo第3次反射:从B点反射回的-1.83V电压到达A点,再次发生负反射, 反射电压为1. 22Vo该电压到达B点再次发生正反射,反射电压1.22V。

      此时B 点测量电压为 1. 84+1. 22+1. 22=4. 28V弟4次反射:o o o ooo o o o弟5次反射:O O O OOO O O O 如此循环,反射电压在A点和B点之间来回反弹,而引起B点电丿玉不稳定观察B点电压:5. 5V->1. 84V->4. 28V->……,可见B点电压会有上下波动,这就 是信号振铃son信号振铃根本原因是负反射引起的,其罪魁祸首仍然是阻抗变化,乂是 阻抗!在研究信号完整性问题吋,一定吋吋注意阻抗问题负载端信号振铃会严重干扰信号的接受,产生逻辑错误,必须减小或消除,因此 对于长的传输线必须进行阻抗匹配端接五、信号完整性:PCB走线宽度变化产生的反射在进行PCB布线吋,经常会发生这样的情况:走线通过某一区域吋, 由于该区域布线空间有限,不得不使用更细的线条,通过这一区域后,线条再恢 复原來的宽度走线宽度变化会引起阻抗变化,因此发生反射,对信号产生影响 那么什么情况下可以忽略这一影响,又在什么情况下我们必须考虑它的影响?有三个因素和这一影响有关:阻抗变化的大小、信号丄升时间、窄线条 上信号的时延首先讨论阻抗变化的大小很多电路的设计要求反射噪声小于电压摆幅 的5% (这和信号上的噪声预算有关),根据反射系数公式:可以计算出阻抗大致的变化率要求为:你可能知道, 电路板上阻抗的典型指标为+/-10%,根本原因就在这。

      如果阻抗变化只发生一次,例如线宽从8m订变到6血1后,一直保持6亦1宽度这种情况,要达到突变处信号反射噪声不超过电压摆幅的5%这一-噪声 预算要求,阻抗变化必须小于10%这有时很难做到,以FR4板材上微带线的情 况为例,我们计算一下如果线宽8m订,线条和参考平面之间的厚度为4血1, 特性阻抗为46. 5欧姆线宽变化到6m订后特性阻抗变成54. 2欧姆,阻抗变化 率达到了 20%反射信号的幅度必然超标至于对信号造成多大影响,还和信号 上升时间和驱动端到反射点处信号的时延有关但至少这是一个潜在的问题点 幸运的是这时可以通过阻抗匹配端接解决问题如果阻抗变化发生沏次,例如线宽从8m订变到6m订后,拉出2cni后 又变回8血1那么在2cm长6m订宽线条的两个端点处都会发生反射,一次是阻 抗变大,发生正反射,接着阻抗变小,发生负反射如果两次反射间隔时间足够 短,两次反射就有可能相互抵消,从而减小影响假设传输信号为IV,第一次 正反射有0.2V被反射,1.2V继续向前传输,第二次反射有-0. 2*1. 2 = 0. 24v 被反射回再假设6ni订线长度极短,两次反射儿乎同吋发生,那么总的反射电 压只有0. 04V,小于5%这一-噪声预算要求。

      因此,这种反射是否影响信号,有多 大影响,和阻抗变化处的时延以及信号上升时间有关研究及实验表明,只要阻 抗变化处的时延小于信号上升时间的20%,反射信号就不会造成问题如果信号 上升吋间为Ins,那么阻抗变化处的时延小于0.2ns对应1. 2英寸,反射就不会 产生问题也就是说,对于本例情况,6m订宽走线的长度只要小于3cm就不会 有问题当PCB走线线宽发生变化时,要根据实际情况仔细分析,是否造成影响 需要关注的参数由三个:阻抗变化有多大、信号上升时间是多少、线宽变化的颈 状部分有多长根据丄而的方法大致估算一下,适当留岀一定的余量如果可能 的话,尽量让减小颈状部分长度需要指出的是,实际的PCB加工中,参数不可能像理论中那样精确,理论能对我 们的设计提供指导,但不能照搬照抄,不能教条,毕竟这是一门实践的科学估 算出的值要根据实际情况做适当的修订,再应用到设计中。

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