高速信号传输线中感性、容性反射的情况探究

文摘   2024-10-05 09:22   上海  

       在高速信号传输过程中,信号通道的物理特性可以通过TDR曲线来表征,它可以反映出传输线上寄生电容、寄生电感所引起的阻抗不连续,在TDR曲线上会表现出过冲、下冲的波形,体现出反射可能出现的位置,从而进行针对性的优化。在进行测试传输线TDR曲线的时候,在不同的阻抗上会表现出不一样,下图是TDR在不同负载的呈现形式。

开路、短路、匹配电阻

末端接容性、感性

传输线中间接容性、感性:

传输链路中容性、感性都有:    

以上是常见的TDR曲线上可能出现的现象,同时可以根据出现凹陷或者凸起的时间点,可以推算出传输线上出现阻抗不连续点的位置,进而指导优化,保障信号完整性。下面就来看看当信号在含有感性、容性负载反射的通道中传输的时候,信号的瞬态特性会发生什么变化。

容性突变引起的反射

一般在过孔、焊盘、封装连线等部分中均有集总电容负载的等效,如下链路为在源端匹配或者负载端匹配的传输链路中加入容性负载的拓扑图。

下图为源端串联匹配时对应的源端及负载端对应的瞬态波形,可以看到,随着电容的增大,对应的反射噪声幅度噪声也逐渐增大,图中电容从1pF以0.5pF为Step增加到3pF。    

       下图为负载端并联匹配时对应的源端及负载端对应的瞬态波形,同样可以看到电容的增加反射电压幅度也增大。

       反射噪声电压幅度取决于通道中引入的电容效应与信号上升沿的相对关系,当寄生电容≤4TR时反射噪声电压摆幅可控制在信号幅度的10%左右,其中负载端并联匹配的相对噪声摆幅小于远端串联匹配的情况。

感性突变引起的反射

       电路中的互连存在串联等效电感是不可避免的,下面来看看在源端匹配和负载端匹配时,通道中由于存在感性突变时的信号瞬态特性。下图是评估拓扑原理图。    

下图为源端串联匹配时源端和负载端的瞬态电压波形,传输线的突变电感分别为信号上升沿的10x、20x、30x时,在负载端的到的反射电压幅度分别为12.5%、22.5%、30%。

下图为负载端并联匹配时源端和负载端的瞬态电压波形,突变电感与TR的关系跟源端匹配一样,此时在源端看到的对应发射噪声电压幅度为6.8%、13.2%、19.2%,而负载端的反射电压的幅度占比分别为2.4%、5.9%、8.4%。    

       从上面实验可以看到,当传输线的通道中存在突变电感时,反射噪声电压幅度取决于突变电感与信号上升沿的相对关系,当突变电感≤0.2*Z0*Tr时,反射噪声电压幅度可以控制在10%左右,其中负载端并联匹配的相对噪声幅度小于源端串联匹配的反射幅度。那么当传输通道中存在突变电感时应该怎么进行补偿呢?下面通过仿真来分析一下。

       当传输通道中存在突变电感时,最有效的方式是进行电容补偿来消弱电感突变带来的影响,所以将上述仿真拓扑调整为如下电路,突变电感设置为5nH,在其两侧分别加入并联电容,最终仿真拓扑图如下图所示:

   

       下图为源端匹配时,在突变电感处增加并联电容,仿真设置的电容值为0~2pF的范围,仿真扫描step为0.5pF,可以看到负载端反射电压幅度变化比较明显,反射的幅度依次为12.5%、7.5%、1.25%、5%、10%,当补偿的电容为2*1.5pF时,负载端看到的反射电压的幅度最低。

       同理的,下图为负载端匹配的情况,同样可以看到当补偿的总电容为3pF时的在源端及负载端都能看到比较小的反射电压幅度。

总体来看,当传输信道中,存在突变电感时,发射噪声的电压幅度取决于突变电感与补偿电容的相对关系,当Z0=sqrt(L/C)时,反射电压幅度可以控制在很小的量级,如上实验可以控制在2%以下。      

 

         

 

   


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