典型的高速信號接口問題

隨著高速信號的普及，迫切需要保證這些信號接口能夠維持正確時序和保真度的措施。上升時間一般在亞納秒級，傳輸延時在納秒級。系統對時序的要求越來越嚴格，如果不對信號通路進行認真分析，將無法獲得精確的時序。

引言

本文的目的并不是推導傳輸線方程，解釋為什么會出現以下的情況，我們的目的是說明在什么地方需要使用它以及如何使用。文章通過實際案例中的傳輸線理論，闡述可能出現的結果，并推薦了相應的解決方案來避免一些常見錯誤。典型的高速信號通路如圖1所示。高速信號通路中經常出現的問題有：

不希望的振蕩

波形振鈴

過沖和下沖

在波形上升沿和下降沿出現的邊沿效應

上面所有這些效應會引入大量的時序誤差，某些情況下還會產生直流誤差，從而劣化了信號通路。優化信號通路可避免這些誤差，在下面的案例研究中將進行演示。

圖1. 簡單的高速傳輸線

圖1所示的電路中，源和負載阻抗都是電阻。對于下面的案例研究，我們將保持其電阻性，以便簡化分析。傳輸線的特性阻抗一般定義為ZO。在理想情況下，RS?= ZO?= RL。對于這些相同的案例研究，我們使用50Ω的阻抗。分析中可以采用任意阻抗，結果類似。

基本傳輸線理論

傳輸線有兩種基本簡化電路。

無損傳輸線

圖2所示為無損傳輸線。它之所以是無損的，是因為沒有產生損耗的阻性元件。

圖2. 無損傳輸線

采用四種阻抗定義無損和有損傳輸線。

L = 單位長度特征電感

C = 單位長度特征電容

R = 單位長度特征電阻

G = 單位長度特征電導

有損傳輸線

如果R << jωL，G << jωC，那么可以忽略R和G的有損項。這是對圖3的假設，由此，我們只需要參考圖2。

圖3. 有損傳輸線

兩個基本特征參數定義了圖2所示傳輸線。

特征阻抗(ZO)，其中：

；注意：這是一個實數。

傳輸時間(τ)，其中：

典型線路阻抗

表1列出了一些常見導線的典型阻抗和傳輸延時。

表1. 線路阻抗的典型特征參數

?

?

傳輸反射

現在，我們通過觀察三個基本阻抗來研究信號通路對信號保真度的影響。

RS?= 驅動源阻抗。它會隨著應用而變化。某些應用中，RS為50Ω，有的應用則是75Ω；如果由具有反饋通路的緩沖器直接驅動，它可能是數十歐姆甚至更低。當輸出來自CMOS緩沖器時，則可能是幾千歐姆。

ZO?= 信號通路或傳輸線的阻抗。該信號通路也會因為我們所選擇的單線、同軸電纜、微帶線或帶狀線的不同而變化。信號通路還具有另外一個更重要的參數，即，信號通過整個通路的時間(τ)。

RL?= 負載，這是我們定義的負載。在下面的案例中它為電阻，隨應用的不同而變化。

所有三個參數都會以不同的方式影響信號，利用圖4所示設置分析其影響。這一設置是所有案例研究中所采用的基本電路。

圖4. 測試原理圖

圖4中類似的設置會產生兩種反射。一是源反射系數(SRC)，即RS和ZO的相互作用，二是負載反射系數(LRC)，即ZO和RL的相互作用。所有這些反射系數都表示反射回來的電壓，其定義如下：

以及

案例研究

下面的四個案例研究以圖4中的設置為參考。唯一變化的參數是RS、ZO和RL。

案例1 (RS?= 0Ω，RL?= ∞，ZO?= 50Ω，τ?= 2.5ns)

規格與其最接近的實際案例是驅動ECL輸入的低阻緩沖器。

圖4中的發生器提供幅度為1V、上升時間(tr)為500ps的階躍脈沖。具有上述阻抗的VOUT仿真曲線如圖5所示。

圖5. RS?= 0Ω，RL?= ∞，ZO?= 50Ω，τ?= 2.5ns

這一設置的問題是在輸出節點VOUT出現了滿幅振蕩。這一案例有些不切實際，因為我們一般不會驅動零阻抗的傳輸線，也不會有無窮大的負載。然而，這達到了突出問題的目的，即，如果阻抗和所采用的負載接近時，將出現這一情況。

案例2 (RS?= 10Ω，RL?= 10kΩ，ZO?= 50Ω，τ?= 2.5ns)

案例2要更實際一些，它演示了使用低阻緩沖器，在這個例子中為10Ω，驅動帶有高阻抗負載的50Ω傳輸線。結果如圖6所示。在這一曲線中可以看到，在輸出節點VOUT觀察到了非常普遍的振鈴問題；振鈴最終衰減下去。

圖6. RS?= 10Ω，RL?= 10kΩ，ZO?= 50Ω，τ?= 2.5ns

案例3 (RS?= 30Ω，RL?= 500Ω，ZO?= 50Ω，τ?= 2.5ns)

案例3和部分典型設置非常相似。這里，輸入緩沖阻抗為30Ω，傳輸線是50Ω，負載為500Ω。測試設置和案例1、案例2的相同，但是振蕩或者振鈴大大降低了。我們在圖7曲線上所看到的是VOUT節點輸出波形的標準過沖和下沖。

圖7. RS?= 30Ω，RL?= 500Ω，ZO?= 50Ω，τ?= 2.5ns

案例4 (RS?= 50Ω，RL?= 50Ω，ZO?= 50Ω，τ?= 2.5ns)

最后，案例4闡述了輸入和傳輸線理想匹配以及傳輸線和輸出相匹配的情況。圖8所示為我們希望在VOUT節點出現的波形，沒有振蕩、振鈴或過沖。

圖8. RS?= 50Ω，RL?= 50Ω，ZO?= 50Ω，τ?= 2.5ns

案例結果討論

這里所討論的四個案例代表了很多可能案例的集合，這些案例出現的問題和上面看到的相似。顯然，我們應該對源、傳輸線和負載進行匹配才能得到最佳結果。但是，實現匹配要比上面案例所建議的措施困難得多。需要仔細研究：

a.?

源

源需要有匹配阻抗以及較大的帶寬，但這并非總是可行。而且，有時源的邊沿可能已經有缺陷，例如，振鈴、過沖、下沖和下陷等，從而使匹配問題更加復雜。

?

b.?

傳輸線

傳輸線一般是印刷電路板(PCB)走線、較長的同軸電纜、簡單的導線或者雙絞線電纜等。這種通路的模型并不總是可以簡化為50Ω的阻抗。其阻抗分布可能非常復雜，走線本身的實際形狀使得阻抗分配更加復雜。

?

c.?

負載

負載并不總是簡單的阻性負載。還需考慮負載連接有其它復雜阻抗的問題。加入連接器也是負載變得更加復雜。

源、信號通路和負載之間沒有進行仔細的匹配會導致輸出產生振蕩、有害的振鈴效應等。圖5、圖6和圖7非常清楚地顯示了這些問題。

這四個案例還說明了我們能夠減小甚至消除振鈴問題的途徑。對于這些案例，提高低阻抗源的輸出阻抗就能夠有效地增大輸出阻抗，使其接近所需要的50Ω阻抗。對高阻抗負載進行匹配也能夠有效地得到50Ω阻抗。

需要注意的是脈沖邊沿振鈴和假象會改變波形，它對系統性能的影響很大。特別是這些假象出現在比較器輸入時，會導致錯誤的觸發。假象還會增大信號通路的延時。優化信號通路有助于減小這些有害的影響。

分析并驗證結果

反射圖

理論上，您可以畫出眾所周知的“反射”圖，驗證上面所有案例的結果。這是非常有用方式，能夠更好地理解這些信號是怎樣出現在輸出端的。雖然反射圖很有幫助，但是需要一定的時間，如果電路比較復雜，也很難使用。最簡單的方法是下面仿真一節所建議的SPICE仿真。使用SPICE仿真器之一對這四個案例進行仿真。

仿真

優化信號通路最快的方法是使用SPICE型仿真器。電路如圖4那樣簡單。記住以下幾點非常重要。

使用精確的源模型，如圖4所示。只有源的輸出部分需要建模。這一模型應表示出串聯電阻、串聯電感和并聯電容。

圖4中表示的傳輸線不論是PCB走線還是同軸電纜、雙絞線等，都需要建立準確的模型。

最后，對圖4中的負載也需要進行精確建模，以反映出電阻、電感和并聯電容。

對源、傳輸線和負載進行建模較好的工具是時域反射計(TDR)。使用TDR可以測量R、L和C等元件，從而建立更準確的模型。

總結

很容易看出，如果不能仔細地匹配整個信號通路上的源、傳輸線和負載，將會出現信號劣化。上面討論的四個案例對此進行了演示。如果達不到匹配，會有無法預見的誤差出現。使用SPICE仿真器及其簡化建模方法能夠很快地找到問題所在。利用這些信息，可以迅速設計并驗證解決方案。

隨著頻率的升高，需要投入大量的精力對整個信號通路進行建模和仿真。這樣可以保證最準確、可預測的結果。

審核編輯：黃飛