信号在传输线上反射效应的优化和匹配消除

文摘   2024-10-03 09:23   上海  

从前面的文章分析可以看到,当信号在传输线传播时,遇到源端和负载端与传输线阻抗不连续后,信号将出现多次的反射,并且还存在叠加,使得信号瞬态性能失真,出现这个问题经常有一下几种方式进行消除反射:

1)将信号传输线的长度小于信号上下沿的时间长度:

反射的影响是由传输线的长度、信号边沿共同决定的,一般要求信号在传输线上传输时所产生的延时小于信号脉冲边沿的20%,这样在信号传输过程中,虽然在负载端仍然产生反射,但产生的反射将会在上升过程中慢慢地被吸收掉,从而减小了反射的影响。

2)终端接匹配负载:

在信号的发送端或接收端进行端接匹配,将消除二次反射或一次反射,从而使得源端或负载端得反射系数为0。

3)信号传输通道走线优化:

通过改变信号走线的形状、过孔、连接器等容易出现不连续的组件的关键地方,使得他们的阻抗连续,在优化中可以通过查看频域的反射系数和传输系数判断是否匹配。

而这里面的端接匹配方式是应对源端/负载端反射的重要手段,那什么时候需要匹配嘞?这个与传输线的延时和信号传输的边沿相关性比较大。

下图为一个源端不匹配,且Rs     <Z0,负载端接无穷大,仿真的不同传输线传输延时TD的负载端瞬时响应波形,TD分别为上升沿时间的10%、20%、30%、40%,可以看到顺着传输延时占比沿时间增大,反射效应也增大,反射的幅度分别对应为4.3%、8.3%、16.7%、24.2%。< span></Z0,负载端接无穷大,仿真的不同传输线传输延时TD的负载端瞬时响应波形,TD分别为上升沿时间的10%、20%、30%、40%,可以看到顺着传输延时占比沿时间增大,反射效应也增大,反射的幅度分别对应为4.3%、8.3%、16.7%、24.2%。<>

下图则为统一个传输链路,源端对应的信号瞬时波形,可以看到不同TD分别对应的反射幅度为1.7%、4.2%、6.4%、7.5%。

结合上两个仿真波形可以看到,当源内阻小于传输线阻抗时,虽然噪声幅度与信号源内阻有关,但在常用到的源内阻情况下可以认为当TD≤20%TR时,反射噪声的电压摆幅可以控制在信号幅度的10%以下,此时不需要考虑匹配。

常用的两种匹配

       对于点对点的连接方式,为了消除反射一般采用什么匹配方式呢?下面通过不同的仿真实验来看看什么情况用什么匹配方式。

首先来对比负载端开路时源端匹配或者源端无匹配时负载端接匹配电阻时的信号瞬态波形结果。如下是两种评估链路。    

       下图为负载匹配时传输线两端的波形,红线为负载端波形,绿色为源端输出波形,可以看到两端信号的波形完整。

下图则为源端匹配时传输线负载端的波形,可以看到此时波形除了存在信号传输的延迟差异外,还存在台阶,台阶延时到两倍的传输延时。

下图则为源端匹配时传输线源端的波形,可以看到源端此时可能存在信号台阶,并保持到2倍传输延时处,当传输线的两倍延时小于上升时间,台阶就会消失再信号沿中。    

从上面的实验可以看出,在理想情况下,源端串联匹配由于存在一次反射,所以源端出现台阶;当传输线的2倍延时小于信号上升时间,折反射台阶消失,负载端仅产生延时;同样,如果负载端并联匹配由于消除了一次反射,所以传输线两端的信号波形完整,负载端仅产生延时。    


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