信号振铃是怎么产生的

2023-6-9 07:52| 发布者: 开心| 查看: 165| 评论: 0

摘要: 01信号振铃怎么产生的? 信号的反射可能会引起振铃现象，一个典型的信号振铃如下图所示。那么信号振铃是怎么产生的呢? 前面讲过，如果信号传输过程中感受到阻抗的变化， ...

    01信号振铃怎么产生的?
  信号的反射可能会引起振铃现象，一个典型的信号振铃如下图所示。

  那么信号振铃是怎么产生的呢?
  前面讲过，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，当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来调整)，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个，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。(如下图为反射示意图)

  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)=2.75V。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2.75V。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-1.83V，该电压到达B点，再次发生反射，反射电压-1.83V。此时B点测量电压为5.5-1.83-1.83=1.84V。
  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1.22V。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。
  第4次反射：。。。。。。。。。
  第5次反射：。。。。。。。。。
  如此循环，反射电压在A点和B点之间来回反弹，而引起B点电压不稳定。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。
  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，又是阻抗!在研究信号完整性问题时，一定时时注意阻抗问题。
  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。
  02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它元件的。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，那么它就会正常向前传播，只要感受到的阻抗发生变化，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转角和接插件)，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：Z1为变化前的阻抗，Z2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，暂时不考虑寄生电容电感的影响，把电阻看成理想的纯电阻，那么反射系数为：

  信号有1/3被反射回源端。如果传输信号的电压是3.3V电压，反射电压就是1.1V。
  纯电阻性负载的反射是研究反射现象的基础，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)。
  2.1 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，另一部分是反射电压1.1V，那么反射点处的电压为二者之和，即4.4V。
  2.2 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ρ=(30-50)/(30 50)=-0.25，反射系数为负值，说明反射电压为负电压，值3.3V*(-0.25V)=-0.825V，此时反射点电压为3.3V (-0.825V)=2.475V。
  2.3 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。
  2.4 短路：
  短路时阻抗为0，电压一定为0。按公式计算反射系数为-1，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压。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。
  原文标题：【知识分享】信号振铃是什么?如何产生的?
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