高速信號(hào)反射分析模型
建立如圖所示的高速信號(hào)反射分析模型，Vs為驅(qū)動(dòng)器的源電壓；Zs為等效源內(nèi)阻；ZL為等效負(fù)載電阻；信號(hào)傳輸路徑為特性阻抗為Zo的微帶傳輸線。源的實(shí)際輸出電壓為Vinc，若負(fù)載阻抗ZL=ZO，則入射電壓Vinc全部到達(dá)負(fù)載不會(huì)被反射；否則，當(dāng)入射波到達(dá)負(fù)載時(shí)，一部分電壓將被反射回來，并在傳輸路徑上和入射電壓疊加。但入射電壓和反射電壓互不干擾的獨(dú)自傳輸，當(dāng)反射電壓到達(dá)源端時(shí)，若源內(nèi)阻ZS和傳輸線特性阻抗不匹配，將會(huì)產(chǎn)生第二次反射，這樣，信號(hào)就會(huì)在源端和負(fù)載端之間來回形成多次反射即反彈，直到到達(dá)穩(wěn)態(tài)。
圖1 高速系統(tǒng)反射分析模型
通常門電路的輸入阻抗很大，在此假設(shè)傳輸線末端開路，即負(fù)載ZL為無(wú)窮大；傳輸線特性阻抗為50Ω；時(shí)延為1 ns：驅(qū)動(dòng)源信號(hào)Vs上升沿為0.1 ns；電壓為3 V的階躍波形；源內(nèi)阻為25Ω；接收端的波形應(yīng)該如何？
首先，信號(hào)在傳輸線的始端感受到的瞬態(tài)阻抗為50Ω，則源的實(shí)際輸出電壓滿足如下分壓關(guān)系：
這個(gè)2V的信號(hào)經(jīng)過1 ns后到達(dá)末端，在末端發(fā)生第一次反射，反射系數(shù)為
于是產(chǎn)生2V的反射信號(hào)返回源端，而末端電壓為入射信號(hào)和反射信號(hào)電壓之和，即4V。
再過1 ns，2V的反射信號(hào)到達(dá)源端，又一次遇到阻抗突變，反射系數(shù)為
此時(shí)發(fā)生第二次反射，產(chǎn)生-o.61 V的反射電壓到遠(yuǎn)端，再反射，如此下去，直到穩(wěn)定，通常采用反彈圖來手工計(jì)算多次反射，如圖2所示。
圖2 反彈圖
用信號(hào)完整性分析工具“Hyperlynx”對(duì)上述電路進(jìn)行仿真，仿真電路原理如圖3所示，得到的源輸出電壓及末端負(fù)載電壓波形如圖4所示。可以看出：首先，遠(yuǎn)端的電壓最終逼近源電壓3 V，因?yàn)槟┒耸情_路的；其次，末端電壓有時(shí)大于源電壓，有時(shí)小于源電壓，出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，這往往會(huì)給系統(tǒng)帶來危害，過分的過沖會(huì)損壞器件，欠沖則會(huì)使電路邏輯長(zhǎng)期處于不確定狀態(tài)，可能導(dǎo)致誤判。
圖3 反射模型Hyperlynx電路原理圖
圖4 仿真結(jié)果
但是，并不是所有的反射都會(huì)引起振鈴，反射會(huì)因源內(nèi)阻、負(fù)載阻抗、路徑延遲和波形上升時(shí)間等的不同給系統(tǒng)帶來不同程度的影響。如果上面的其他參數(shù)保持不變，源內(nèi)阻發(fā)生變化時(shí)末端的電壓波形會(huì)有怎樣的表現(xiàn)呢？
如圖5所示，當(dāng)源內(nèi)阻小于傳輸線特性阻抗時(shí)會(huì)出現(xiàn)振鈴，稱為過載傳輸線；當(dāng)源內(nèi)阻大于傳輸線特性阻抗時(shí)會(huì)將信號(hào)上升沿拉長(zhǎng)，稱為欠載傳輸線；只有當(dāng)二者相等時(shí)，多次反射才不會(huì)發(fā)生；最終的電壓都穩(wěn)定在3V，因?yàn)樨?fù)載端開路。在第5章里將詳細(xì)介紹為了排除源端反射所要采取的端接方法。
