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信號完整性(四)：信號振鈴是怎么產生的
2014/09/12
Lee
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信號的反射可能會引起振鈴現象，一個典型的信號振鈴如圖1所示。
圖1
那么信號振鈴是怎么產生的呢？
前面講過，如果信號傳輸過程中感受到阻抗的變化，就會發生信號的反射。這個信號可能是驅動端發出的信號，也可能是遠端反射回來的反射信號。根據反射系數的公式，當信號感受到阻抗變小，就會發生負反射，反射的負電壓會使信號產生下沖。信號在驅動端和遠端負載之間多次反射，其結果就是信號振鈴。大多數芯片的輸出阻抗都很低，如果輸出阻抗小于PCB走線的特性阻抗，那么在沒有源端端接的情況下，必然產生信號振鈴。
信號振鈴的過程可以用反彈圖來直觀的解釋。假設驅動端的輸出阻抗是10歐姆，PCB走線的特性阻抗為50歐姆（可以通過改變PCB走線寬度，PCB走線和內層參考平面間介質厚度來調整），為了分析方便，假設遠端開路，即遠端阻抗無窮大。驅動端傳輸3.3V電壓信號。我們跟著信號在這條傳輸線中跑一次，看看到底發生了什么？為分析方便，忽略傳輸線寄生電容和寄生電感的影響，只考慮阻性負載。圖2為反射示意圖。
第1次反射：信號從芯片內部發出，經過10歐姆輸出阻抗和50歐姆PCB特性阻抗的分壓，實際加到PCB走線上的信號為A點電壓3.3*50/(10+50)=2.75V。傳輸到遠端B點，由于B點開路，阻抗無窮大，反射系數為1，即信號全部反射，反射信號也是2.75V。此時B點測量電壓是2.75+2.75=5.5V。
第2次反射：2.75V反射電壓回到A點，阻抗由50歐姆變為10歐姆，發生負反射，A點反射電壓為-1.83V，該電壓到達B點，再次發生反射，反射電壓-1.83V。此時B點測量電壓為5.5-1.83-1.83=1.84V。
第3次反射：從B點反射回的-1.83V電壓到達A點，再次發生負反射，反射電壓為1.22V。該電壓到達B點再次發生正反射，反射電壓1.22V。此時B點測量電壓為1.84+1.22+1.22=4.28V。
第4次反射：。。。 。。。 。。。第5次反射：。。。 。。。 。。。
如此循環，反射電壓在A點和B點之間來回反彈，而引起B點電壓不穩定。觀察B點電壓：5.5V->1.84V->4.28V->……，可見B點電壓會有上下波動，這就是信號振鈴。
信號振鈴根本原因是負反射引起的，其罪魁禍首仍然是阻抗變化，又是阻抗！在研究信號完整性問題時，一定時時注意阻抗問題。
負載端信號振鈴會嚴重干擾信號的接受，產生邏輯錯誤，必須減小或消除，因此對于長的傳輸線必須進行阻抗匹配端接。
(作者：于爭博士)
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更多內容：
信號完整性(一)：PCB走線中途容性負載反射
信號完整性(二)：接收端容性負載的反射
信號完整性(三)：PCB走線寬度變化產生的反射
信號完整性(五)：信號反射
信號完整性(六)：多長的走線才是傳輸線
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