信号反射噪声的改善方法及仿真验证(2)
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【摘要】2.3 消除反射的端接方案 在信号的发送端或接收端进行端接匹配,消除一次反射或二次反射,从而使得源端或负载端反射系数为零。 当传输线的源端设计成
2.3 消除反射的端接方案
在信号的发送端或接收端进行端接匹配,消除一次反射或二次反射,从而使得源端或负载端反射系数为零。
当传输线的源端设计成与传输线的特征阻抗匹配时,称为源端匹配,使传输线由于远端阻抗不连续引起的反射在源端被消除,当反射到达源时,反射系数为0。如果端接电阻放在线的负载端,则称之为终端匹配,此时负载端的反射系数是0。终端匹配有并联匹配(上拉或下拉电阻进行匹配)、戴维南匹配、RC网络匹配(并行AC端接)、二极管匹配等。下面就应用较为广泛且效果优良的源端端接、RC网络匹配以及主要拓扑结构采取的匹配端接方法进行讨论及仿真验证。
2.3.1 源端端接
源端端接主要是串行端接方法,串行端接是通过在尽量靠近源端的位置串行插入一个电阻RT(典型值为10 Ω到 75 Ω),使得输出端缓冲器阻抗(RD)与串联阻抗(RT)之和大于或等于线的特征阻抗(Z0),即设计成轻微的过阻尼[2]。
这种策略通过使源端反射系数为零从而吸收从负载反射回的信号。源端端接示意图如图9所示。
图9 源端端接示意图
串行端接优点:每条线只需要一个端接电阻,可使阻尼振荡和反射效应减至最小。缺点:当信号逻辑转换时,源端信号会表现为半波幅度台阶架形状,这种半波幅度的信号沿传输线传播至负载端,又从负载端反射回源端,持续时间为2TD。不管怎样,影响缓冲器阻抗的因素有硅制造工艺变量、电压、温度、功率传导因素、同时转换噪声等,这些变量使得很难保证缓冲器与线阻抗匹配[3]。
当在终端上存在集总线型负载或单一元件时,即点对点拓扑结构,且接收端波形表现形式是振铃过冲波形时,通常采用源端的这种串联端接方法可高效解决问题。反之信号沿表现形式为台阶、回沟、上升沿高频能量较低等波形,或者驱动分布负载时,通常该源端串联终端不能很好地解决问题。
图10为采用源端端接后,某接收端波形明显改善的前后对比仿真图。
图10 采用串行端接前后波形对比
2.3.2 并行AC端接
并行AC端接采用在负载端接一个并联电阻和隔离电容,如图11所示。
图11 并行AC端接示意图
采用并行AC端接,电容切断了直流通路,消除了直流功耗。同时也不会产生其他并联端接方式中高电平被拉低或低电平被抬高的现象,并能衰减信号中的高频噪声[4]。AC端接要求链路上传输的是直流平衡信号(比如时钟信号、8B10B信号等),不适合突发模式的数据传输。
工程中阻容值的选择,需要根据波形振铃的振荡频率进行分析,其原理类似于设计一个带阻滤波器,设置该AC端接RC电路的阻带中心频率:
使得有用信号能够无衰减地通过,而衰减掉特定频率的高频振荡部分。
但通常来说,波形的振荡频率通常很难准确定位。可通过时域和频域仿真的方法或者测量的方法得出该振荡频率。例如,某器件接收端信号的波形仿真如图12所示。采集m1~m10共10个点,使用它们的横坐标的数值,计算其振铃电流峰值周期T=m2-m1=m4-m3=m6-m5=m8-m7=m10-m9≈3.5 ns,振铃电流峰值频率约 285 MHz。再次仿真PCB板上该器件电源供电网络的阻抗曲线,如图13所示,在284 MHz处有一个阻抗峰值,故推断该阻抗峰值点对应的频率有可能是振荡的干扰信号频率。此外,使用测量的方法,比如采用阻抗测试仪、近场探头测试频谱的方法,在该频点存在很强辐射,也能定位到该振荡频率。
由于AC端接中心电容一直处于波动状态,为使信号快速进入稳定传输状态,电容值的选择应使RC时间常数τ远大于2倍的传输线延时[4],即:
AC端接优点:反射波吸收效率高,电阻上电压降落几乎为零,在分布负载和总线布线中均可使用,并且可解决的反射波形类型较多。缺点:RC电路的时间常数会使电路中存在反射,容值的选择也不能太大,通常端接电阻RT不大于传输线的特性阻抗 Z0,端接电容 CT选用20 pF~600 pF[3]。阻容值的选择不能仅依靠经验值,可结合仿真的方法得出,并根据特定情况进行权衡。
图12 振铃信号波形图
图13 PCB板上该器件电源网络阻抗曲线图
图14是接收端采用AC端接后,某接收端信号仿真波形前后对比图(RT=33 Ω,CT=20 pF)。
图14 采用AC端接仿真波形前后对比图
2.3.3 不同拓扑结构的端接匹配方案
不同的拓扑分布对信号的影响是非常显著的。当存在多个接收负载甚至多个源时,优化的拓扑结构可以使得瞬时阻抗尽量保持恒定,再配合使用端接匹配能够使得信号较为完整。常用的PCB走线拓扑结构有菊花链(Daisy Chain)结构、Fly-by结构、远端簇(Far-end cluster)结构、星型(Star)结构。
文章来源:《反射疗法与康复医学》 网址: http://www.fslfykfyx.cn/qikandaodu/2021/0726/539.html
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