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信號完整性方向,傳輸線問題三大點:反射、串擾、損耗。
本文講反射,思維導圖如下:
01
反射是不可避免的。
互連鏈路中瞬時阻抗一旦變化,產生阻抗突變,就會發生反射。下圖為日常的版圖設計走線:
阻抗突變在版圖設計中不可避免,那為什么阻抗突變就會發生反射?
下圖紅色標記處為突變點,交界處(很短的距離差之內)的電流電壓是有差值的,如果這時候沒有反射,隨著時間的積累,將產生巨大的能量場。
為了維持系統的平衡,交界處必須要發生反射,以此達到電壓和電流的連續。
02
信號傳輸,阻抗突變處,一部分繼續傳輸,一部分反射回源端,用傳輸系數和反射系數衡量這兩種情況。
入射系數:
反射系數:
參考反射系數公式,可推出三種極端情況:
1.ρ=0,代表阻抗完全相等,交界處沒有反射。
2.ρ=1,代表完全正反射,交界處產生幅值相同相位相同的反射波。開路端電壓為兩個電壓之和。
3.ρ=-1,代表完全負反射,交界處產生幅值相同相位相反的反射波。突變處電壓為0。
實際工作中,以此對應傳輸線端接的三種的情況:開路,短路,匹配。
一般情況,反射系數在(-1,1)范圍內,也就是正負反射交替,這便是振鈴現象。
視頻講解:反射
03
既然阻抗突變不可避免,都有哪些情況?總結如下:
特別提一下過孔/樁線,隨著產品的高速化,很多Stub都做了Backdrill的處理,來控制反射,優化阻抗突變。這里面對高速率產品有需要考慮PCB工藝的誤差。
至于什么時候考慮Backdrill,可以參考經驗公式,一般PCIe GEN4就需要做背鉆處理了。
那是不是傳輸鏈路中一有阻抗突變是不是就考慮端接?也就是說什么情況需要管控?
參考相關經驗公式:
04
其實在設計規范文檔,也給出相應的管控方案。比如會給出相應拓撲結構,以及各種拓撲結構端接的阻值,來做阻抗匹配,抑或是從DDR3開始有的ODT功能,通過端接電阻,來吸收能量,抑制反射。
端接的形式有多種:串聯端接,并聯端接,RC端接,戴維寧端接等。
串并聯端接,簡單來說,就是串聯一個電阻,使源端阻抗和傳輸信特性阻抗匹配,抑制反射。
戴維寧端接通過上拉或下拉的端接,抑制振鈴,但會增加功耗。
RC端接中的電容就是管控功耗,但增加的電容會對信號質量產生影響。
除了電路上的管控,PCB板級中版圖設計的優化也可以減小阻抗突變,典型的處理方式就是器件鄰平面層進行挖空(Voiding)。
05
講到最后,那反射的危害有哪些?
任何對高速信號完整性產生危害的因素,我們都要進行管控,有些危害不可避免,我們所要做的就是優化和保證危害在鏈路的合理范圍之內,不過度設計也不過度試探風險的底線。
其實信號完整性的管控,應該是多方面的,從開始原理圖或者芯片端設計,到PCB板級的部分,再到終端測試和驗證部分,是整個系統級的管控。