中可以把PCB走线认为是信号的通道。当这个通道的深度和宽度发生变化时,特别是一些突变时,都会产生反射。此时,一部分信号继续传播,一部分信号就可能反射。而我们在设计的过程中,一般都是控制PCB的宽度。所以,我们可以把信号走在PCB走线上,假想为河水流淌在河道里面。当河道的宽度发生突变时,河水遇到阻力自然会发生反射、旋涡等现象。
我们以光的反射类比信号的反射。光的反射,指光在传播到不同物质时,在分界面上改变传播方向,返回原来物质中的现象。光在碰到介质界面时,其折射率和反射率由。光线在临界面上的反射率仅与介质的物理性能,光线的波长,以及入射角相关。同样的,信号/电磁波在传输过程中,一旦传输线瞬时阻抗发生变化,那么就将发生反射。信号的反射有一个参数叫作反射系数(ρ),计算公式如式。
式中,Z1为变化前的阻抗;Z2为变化后的阻抗。假设PCB线Ω,传输过程中遇到一个理想的100Ω的贴片电阻接地,那么反射系数运用公式计算得到:
PCB走线宽度变化,PCB厚度变化,换层,电阻,电容,电感,过孔,PCB转角,接插件,器件管脚;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,信号是否反射,只会根据阻抗而变化。如果阻抗是恒定的,那么他就会正常向前传播,只要阻抗发生了变化,不论是什么引起的,信号都会发生反射。
不管是COMS电路还是SSTL电路,抑或是射频电路,电路设计工程师希望整个传输链路阻抗都是一致的,最理想的情况就是源端、传输线和负载端都一样。但是实际总是事与愿违,因为发送端的芯片内阻通常会比较小,而传输线Ω,这就造成了不匹配,使信号发生反射。这种情况在并行总线和低速信号电路中常常出现,而通常对于高速SerDes电路而言,芯片内阻与差分传输线的阻抗是匹配的。
端接匹配来实现阻抗一致性。常用的端接方式有源端端接、终端并联端接、戴维宁端接、RC 端接、差分端接等。那端接电阻要使用几颗?端接电阻怎么放置?阻值是选择多大呢?
)点对点拓扑结构在介绍端接之前,先了解下电路的拓扑结构。电路的拓扑是指电路中各个元件之间的连接关系。常见的电路拓扑结构包括点对点的拓扑、星型拓扑、T型拓扑、菊花链拓扑等,最简单的拓扑就是点对点拓扑结构的连接设计。点对点设计也是最常见的电路拓扑设计,尤其是在高速电路中几乎都是点对点的连接设计。点对点虽然简单,但是这种拓扑设计限制了带负载的数量。点对点设计,由于驱动端的内部阻抗与传输线的阻抗常常不匹配,很容易就会形成信号反射,使信号失真。这就是一个信号完整性问题。
从波形上分析,信号在高电平时稳定电压在1.8V,但是最大值达到了2.619V,有819mV的过冲;最小值达到了-731mV,低于0V达到了731mV。这种情况在电路设计中需要尽量避免,因为这么大的过冲很容易损毁芯片,即使不损毁,也存在可靠性的问题。所以,在设计中需要把过冲降低,尽量保证电压幅值在电路可接受的范围内,如此案例尽量保证满足1.8V+/-5%。这时就需要通过 端接电阻来改善信号质量。
Rs与所加端接电阻R0的值等于传输线。在前面的点对点拓扑结构中,加入端接电阻值为33Ω的R1,其电路拓扑结构如图所示。
源端端接在电路匹配时,可以使电路匹配得非常好,但是并不是适合于每一种电路设计。源端端接有自身的一些特性,大致归纳如下。
并联端接即把端接电阻并联在链路中,一般把端接电阻在靠近信号接收端的位置,并联端接分为上拉电阻并联端接和下拉电阻并联端接。电路图如图32.5所示。
戴维宁端接方式,由于一直存在直流功耗,所以对电源的功耗要求比较多,也会降低源端的驱动能力。从信号接收端的波形可以看出,戴维宁端接的幅度降低了,所以噪声容限也被降低。同时,戴维宁端接需要使用两颗分压电阻,电阻的选型也相对比较麻烦,使很多电路设计工程师在使用这类端接时总是非常谨慎。
RC端接在并联下拉端接的电阻下面增加一颗电容,并下拉到地,所以RC端接是由一颗电阻和一颗电容组成的端接。RC端接也可以看作是一种并联端接。电阻值的大小等于传输线的阻抗,电容值通常取值比较小。RC端接电路的拓扑如图所示。
从接收端的波形分析,RC端接也使过冲基本被消除了。RC端接能非常好的消除源端带来的反射影响,但是RC电路也有可能导致新的反射。由于RC端接电路中有电容存在,所以电路静态时的直流功耗非常小。信号波形的低电平电压提升了很多,所以RC端接后电路的噪声容限被降低。RC端接后,由于引入了RC延时电路,所以信号波形边沿也明显的变缓慢,其变化程度与RC端接的电阻值和电容值有直接关系。所以,RC端接并不适合非常高速的信号及时钟电路的端接。同时,RC端接方式需要使用电阻和电容两颗器件。
从上面分析的几种电阻端接类型来看,基本都能达到电路匹配端接的效果,使信号在传递过程中保持信号不失真,即满足信号完整性的设计要求。对于电子产品设计而言,这是一个系统工程,其中涉及各个方面,包括信号完整性设计与电源完整性,也包括电磁兼容性、电路可靠性、可加工性、成本等。那么在使用电阻端接来解决反射问题时,也要考虑到这些方面的原因。在实际项目的应用中,就需要根据项目工程的应用选择电阻端接的类型。