传输线信号的反射过程

文摘   科技   2024-09-24 18:58   浙江  

我们知道阻抗完全匹配的情况下,信号会被完整的从源端传输到终端。但是在实际设计中,传输线并非是源端->传输线->终端都是匹配的(例如都是50Ω),从而没有任何反射。

另外,在我们的直觉中,似乎没有反射才是完美的设计。那真的是这样么?

我们先看下信号在传输线过程中完整的传播和发射过程。

低源端阻抗无匹配传输线

如下图所示,我们假设驱动器内阻为10ohm,无损传输线阻抗为50ohm,终端阻抗∞(输入电阻很高,MΩ级别)。

信号传输的过程如下:

1. 信号(上升沿)从源端发出并沿着传输线传输,从传输线模型可知此时驱动器内阻与传输线阻抗形成分压关系(因为:驱动器内阻是串在信号线上的,而特征阻抗是并联在信号线和回流路径上的。):

V源端1 = [50/(10+50)]*1V = 0.84V

2. 经过阻抗连续的无损传输线Td = 1ns的延时,信号V源端1被无损耗的传播到终端,其信号幅度为0.84V

3. 此时由于终端输入管脚为开路,阻抗为∞,传输线阻抗不连续而发生发射,反射系数为:(-50)/(+50) = 1,表示全反射。

终端电压幅度V终端1 = 0.84V+0.84V=1.68V,此时有0.84V的反射电压从终端返回至源端(该电压叠加在原先的0.84V上)。

4. 反射信号到达源端后,由于源端阻抗为10ohm,注意反射回源端时这个10ohm是并联在电源轨道上,而电源轨等价于回流路径,所以此时的计算不是分压而是反射。

反射系数为:(10-50/10+50= -0.667

反射电压:V源端反射1 = 0.84V*-0.667= -0.56V。

所以V源端2 = 0.84V–0.56V=0.28V

5. V源端反射1 电压(-0.56V)经传输线再传输到终端,经过终端的全反射,得到终端电压:V终端2 =1.68V-0.56V*2= 0.56V

6. 同理-0.56V(反射电压)再传输回源端,至此形成一个来回不断衰减的振荡,其振荡频率为传输线延时的4倍,振荡幅度不断衰减直至输出信号电压1V

如上为低源端阻抗无损传输线模型的举例说明,我们用参数代入上述反射过程,完整的有损传输线反射函数如下图所示,其中:

1. A(ω)= Z0(ω)/[Zs(ω)+Z0(ω)],源阻抗与传输线阻抗分压。

1, 有一个问题是:为什么是源端信号最初发出来的信号与特征阻抗是分压关系?

(1) 如下图所示,当一个高电平信号Vo刚刚从器件中发出,它首先是经过了一个串联的内阻Zs

如果外接了源端串联匹配电阻,那么Zs包括匹配电阻,要求是串联匹配电阻与芯片之间的距离满足集总模型长度(即,走线长度要小于1/10的信号波长),这也是为什么源端匹配尽量靠近发送端的原因

(2) 信号传播到传输线上后,受到一个传输线的特征阻抗Z0,我们上一章已经说明了,Z0是信号路径相对于回流路径的阻抗(即如下图),并非如源端的阻抗(内阻和源端匹配)是串在信号路径上的;

(3) 现在就是一个非常简单的计算了,V1 = Vo*Z0/(Zs+Z0)

2, 第二个问题是:为什么信号在理想传输线的传输过程中不会产生反射呢?

(1) 如下图所示,假设信号在传播过程中,从第2Z0切换到了第3Z0,此时传输线上的电流并不会发生变化,即电流一直处于连续状态,所以电压也不会发生变化;

如上示意图中,特征阻抗是分离开的一个个Z0,这只是为了便于理解;实际传输线上的特征阻抗并非是离散的,而是随着信号边沿的传播过程而非常连续的:当信号边沿连续从左往右传播时,一部分传输线结束了充放电(L+C),另一部分则开启了充放电(L+C

2. Hx(ω) = exp {-x[(R(ω) + jωL)*(jωC)]},传输线传递函数,包含传输线损耗和延时。

传输线传递函数涉及到了指数函数,我们后续再详细分析指数函数,这里只需要看一看传输线的传递函数长啥样就行。

3. T(ω)= [2*ZL(ω)]/[ZL(ω)+Z0(ω)],终端传输系数。

传输系数,即传输过去的信号幅度比例。

4. R2(ω) = [ZL(ω)-Z0(ω)]/[ ZL(ω)-+Z0(ω)],终端反射函数;终端反射是如何发生的呢?

1, 如下图所示,当信号传输至终端时,原来传输线上的电流I0 = V0/Z0,但是ZL  Z0的话:IL = V0/ZL,此时IL < I0,必然会多出一部分电流没地方去,只能原路返回。

举个栗子,假如ZL为无穷大,那么这些电流没地方流出去,只能全部返回回来,所以此时的电流I = 2*I0,那我们可以根据欧姆定律得到电压V = 2*I0*Z0 = 2*V0;这是全反射的情况。

5. R1(ω) = [Zs(ω)-Z0(ω)]/[ Zs(ω)-+Z0(ω)],源端反射函数。

1, 上面说源端信号传递的模式是分压的,为什么又是反射了呢?

(1) 如下图所示,当从终端反射回来的信号边沿到达源端,源端阻抗Zs是一端连接至VccGND的;

(2) 如果Zs是接到GND(即,输出驱动为低),那么就比较好理解,它在电路结构中的位置等价于特征阻抗Z0和终端阻抗ZL,所以其也是有传输系数和反射系数的;

(3) 如果Zs是连接到VCC(即,输出驱动为高),怎么理解呢?我们在之前章节一直在跟大家强调:需要摒弃回流是GND的这种错误观念,对信号回流来说VCCGND是等价的,VCC就可以当做GND

VCCGND之间对于高频信号来说,一般是低阻抗通道,举个栗子:VCCGND之间的电容为10uF,那么在10MHz下的阻抗是:Zc = 1/(2*π*f*C) = 1/(2*3.14**10*) = 1.6mΩ,可以相互等价

这部分是信号反射和阻抗匹配的理论基础,一定要搞清楚整个传输过程,而不是流于表面。因为实际信号传输比这个理想模型复杂的多,基本原理没搞清楚的话,一旦涉及到具体问题,就容易出现玄学的幻觉。

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