劉 偉， 康 凱，鐘子發(fā)

（電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037

0 引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,高速器件被廣泛的應(yīng)用，由此帶來的高速電路設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性問題變得比較突出，解決好高速設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性問題有助于系統(tǒng)正常穩(wěn)定地運(yùn)行。高速數(shù)字系統(tǒng)的快斜率瞬變和工作頻率的提高，以及電路密集度的增大，導(dǎo)致高速數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的信號(hào)完整性問題以及電磁兼容性問題日趨嚴(yán)重，破壞了信號(hào)完整性，導(dǎo)致信號(hào)失真、定時(shí)錯(cuò)誤，產(chǎn)生不正確的數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)。因此，信號(hào)完整性問題已經(jīng)成為高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

高速數(shù)字系統(tǒng)一般包括兩方面的涵義：其一是指系統(tǒng)的工作頻率高；其二是指信號(hào)的邊沿(上升沿/下降沿)變化速率快。一般認(rèn)為當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率達(dá)到或者超過50MHz時(shí)，就稱為高速數(shù)字系統(tǒng)。然而更為重要的是，如果信號(hào)上升沿/下降沿的變化速率很快，那么即使系統(tǒng)的工作頻率很低也要看作是高速數(shù)字系統(tǒng)。通常約定，如果信號(hào)在信號(hào)線中傳播延遲大于1/6信號(hào)驅(qū)動(dòng)端的上升時(shí)間，則認(rèn)為此類信號(hào)是高速信號(hào)并產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)[1]。

信號(hào)完整性(signal integrity,簡(jiǎn)稱SI)是指信號(hào)在信號(hào)線上的質(zhì)量，是信號(hào)在電路中能以正確的時(shí)序和電壓做出響應(yīng)的能力。信號(hào)完整性的問題主要包括傳輸線效應(yīng)，如反射、時(shí)延、振鈴、信號(hào)的過沖與下沖以及信號(hào)之間的串?dāng)_等，涉及傳輸線上的信號(hào)質(zhì)量及信號(hào)定時(shí)的準(zhǔn)確性。

1 問題產(chǎn)生的機(jī)理

信號(hào)在傳輸線上傳輸時(shí)，當(dāng)高速PCB上傳輸線的特性阻抗與信號(hào)的源端阻抗或負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)會(huì)反射，使信號(hào)波形出現(xiàn)過沖、下沖和由此導(dǎo)致的振鈴現(xiàn)象。所謂特性阻抗的定義為：當(dāng)導(dǎo)線上流經(jīng)有高頻信號(hào)時(shí)，所呈現(xiàn)的電壓與電流的比值。那么對(duì)于確定的傳輸線而言，其特征阻抗為一個(gè)常數(shù)。

建立如圖1所示的高速信號(hào)反射分析模型[2]，VS為驅(qū)動(dòng)器的源電壓，ZS為等效源內(nèi)阻，ZL為等效負(fù)載電阻，信號(hào)傳輸路徑為特性阻抗為ZO的微帶傳輸線。源的實(shí)際輸出電壓為Vinc，若負(fù)載阻抗ZL=ZO，則入射電壓Vinc全部到達(dá)負(fù)載不會(huì)反射；否則，當(dāng)入射電壓到達(dá)負(fù)載時(shí)，一部分電壓將被反射回來，并在傳輸路徑上和入射電壓疊加。但入射電壓和反射電壓互不干擾的獨(dú)自傳輸，當(dāng)反射電壓到達(dá)源端時(shí)，若源內(nèi)阻ZS和傳輸線的特性阻抗不匹配，將會(huì)產(chǎn)生第二次反射，這樣，信號(hào)就會(huì)在源端和負(fù)載之間來回形成多次反射即反彈，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)。具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)如下：當(dāng)一個(gè)信號(hào)施加在傳輸線一端時(shí)，全部源端電壓的一部分沿線路向下傳播。該部分是頻率的一個(gè)函數(shù)，即輸入接收函數(shù)，記為A(ω) ，其值由源端阻抗ZS和傳輸線阻抗以及輸入接收式?jīng)Q定：

圖1 高速信號(hào)反射分析模型

在電纜的遠(yuǎn)端，出現(xiàn)的是一個(gè)信號(hào)衰減后的部分振幅，它也是一個(gè)頻率的函數(shù)，記為T（ω）,其值由負(fù)載阻抗ZL和傳輸線阻抗以及輸出傳輸式?jīng)Q定：

當(dāng)傳播信號(hào)的T（ω）部分出現(xiàn)在電纜遠(yuǎn)端時(shí)，一個(gè)反射信號(hào)R2（ω）也將沿著電纜向源端反向傳播；當(dāng)反射信號(hào)傳播回源端時(shí)，再一次被HX（ω）衰減，并被源端阻抗第二次反射，源端的反射系數(shù)為R1（ω），如此將進(jìn)入一個(gè)無止境的循環(huán)，這個(gè)信號(hào)的無限求和為：

2 問題的解決

當(dāng)源內(nèi)阻小于傳輸線特性阻抗時(shí)會(huì)出現(xiàn)振鈴，稱為過載傳輸線；當(dāng)源內(nèi)阻大于傳輸線特性阻抗時(shí)會(huì)將信號(hào)上升沿拉長(zhǎng)，稱為欠載傳輸線；當(dāng)兩者相等時(shí)，多次反射才不會(huì)發(fā)生[3]。

為改善因線路的阻抗不匹配而造成反射的現(xiàn)象，可以選擇采用“布線拓?fù)洹焙汀敖K端技巧”的辦法[4]。利用適當(dāng)?shù)牟季€拓?fù)浞▉砀纳品瓷洮F(xiàn)象，通常不需要增添額外的電子組件。常見的布線拓?fù)浞ㄓ?種，分別是點(diǎn)到點(diǎn)法、菊花鏈法、星形法和遠(yuǎn)端分支法。除了布線拓?fù)浞ǎ瑸榭朔瓷洮F(xiàn)象的干擾，“終端技巧”是最有效的方法。傳輸線的特性阻抗一般是定值，終端技巧的目的旨在提供一個(gè)完全阻抗匹配的傳輸線環(huán)境以及保持電位的穩(wěn)定。通常，根據(jù)傳輸線的特性阻抗在其驅(qū)動(dòng)端串聯(lián)電阻使源阻抗與傳輸線阻抗匹配，或者在接收端并聯(lián)電阻使負(fù)載阻抗與傳輸線阻抗匹配，從而使源反射系數(shù)或者負(fù)載反射系數(shù)為零。常用的端接方式有：串聯(lián)端接、簡(jiǎn)單的并聯(lián)端接、戴維寧端接、RC網(wǎng)絡(luò)端接和二極管端接等[5]。端接的位置對(duì)信號(hào)的反射有很大影響,一般串行端接的電阻應(yīng)盡量靠近源端,總線結(jié)構(gòu)的端接電阻應(yīng)放置在總線結(jié)構(gòu)的兩個(gè)最遠(yuǎn)端等[6]。總之,信號(hào)的端接必須通過仿真來選擇最佳方法，本文主要分析點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的端接方式。

2.1 末端端接

這種方法主要包括并聯(lián)端接、戴維寧端接、RC網(wǎng)絡(luò)端接,理論是設(shè)定R2（ω）為零。式（4）化簡(jiǎn)后的結(jié)果是：

實(shí)際上，這消除了第一次反射，信號(hào)的能量進(jìn)入電纜，傳播到遠(yuǎn)端后流出，沒有反射。使R2（ω）=0的方法很簡(jiǎn)單，只要使負(fù)載阻抗ZL等于電纜特性阻抗ZO。

2.2 源端端接

這種方法主要指串聯(lián)端接，理論是設(shè)定R1（ω）為零。式（4）化簡(jiǎn)后的結(jié)果是：

實(shí)際上，這消除了第二次反射，而不是第一次。信號(hào)的能量進(jìn)入電纜并傳播到遠(yuǎn)端，而后退出電纜。反射能量返回到源端，但在該點(diǎn)不再反射（R1=0）,不再有能量第二次反射回負(fù)載端。使R1（ω）=0的方法很容易，只要使源端阻抗ZS等于電纜的特性阻抗ZO。

通過反復(fù)不斷的實(shí)驗(yàn)，可以得到信號(hào)質(zhì)量滿足要求的最大的末端布線長(zhǎng)度，按照公式RS=ZO-ZS計(jì)算串聯(lián)電阻的最優(yōu)值。比較上述仿真波形，端接后的波形質(zhì)量大大改善，因此端接是解決反射問題的好方法，其他匹配方案操作方法類似[8]。

通過以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以看出振蕩并不明顯，但上沖、下沖和傳輸延遲相當(dāng)明顯。當(dāng)不進(jìn)行端接時(shí)，響應(yīng)曲線的上沖和下沖幅度明顯增大，會(huì)超出器件所能容忍的范圍，振蕩現(xiàn)象也會(huì)變得明顯，很容易造成誤觸發(fā)，但傳輸延遲減小了；當(dāng)采取端接方案時(shí)，雖然振蕩現(xiàn)象和上沖、下沖大大的削減了，但是卻帶來了很大的傳輸延遲，而且在選擇端接電阻時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)：隨著端接電阻值的增大，上沖、下沖和振蕩現(xiàn)象減弱，但傳輸延遲增大；反之，則上沖、下沖和振蕩現(xiàn)象增強(qiáng)，但傳輸延遲減小。在這種情況下，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)對(duì)傳輸延遲、上沖、下沖和振蕩幅值的要求。

4 結(jié)束語

本文分析了高速電路設(shè)計(jì)中的反射的形成及其影響，結(jié)合實(shí)例簡(jiǎn)單地仿真分析了解決反射的一些方案。實(shí)踐證明，對(duì)信號(hào)反射問題的分析在高速電路設(shè)計(jì)中的作用舉足輕重，只有解決好這個(gè)問題，高速系統(tǒng)才能準(zhǔn)確、穩(wěn)定的工作。本文對(duì)信號(hào)完整性問題中的典型傳輸線反射問題的研究對(duì)保證信號(hào)完整性是有效的，有助于提高電子系統(tǒng)性能，對(duì)于優(yōu)化PCB的EMC設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義和一定的工程價(jià)值。當(dāng)然，僅僅解決反射問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，實(shí)際工程中的高速數(shù)字設(shè)計(jì)還需要抑制接地反彈、解決串?dāng)_、差分線、電磁兼容等問題，以此來調(diào)整走線、布局，從而提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

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