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仿真反射詳解:接收端信號與測試點信號的區別

電子設計 ? 2021-04-19 11:58 ? 次閱讀

場的反射

來到了場的領域,我們要做的第一件事就是把我們的波形拆開,讓我們先來看看之前說過的測試點的問題。為了將問題簡化,我們假定一個這樣的條件:

o4YBAGB8_iaAdZZKAAVZvBOY7R8117.png

1.在拓撲上,源端完全匹配,末端全反射,理想的100Ω差分傳輸線。
2.傳輸的為我們之前模擬的DDR3信號,由三次諧波構成。
3.測試點位置離接收端距離為500mil。
好的,現在開始讓我們分析,首先,如同大家在之前文章中看到的,我們接收端信號與測試點信號的區別是這樣的:

fanshesan02.jpg

讓我們看看1GHz諧波發生了什么:

o4YBAGB8_tWAI2xyAAJiqmo36Qc632.png

測試點測到的是兩個信號疊加的波形,一個是入射信號,一個反射波。反射波與入射波幅值相等(末端全反射);走過的路程比入射波多1000mil(一來一回),也就是六分之一波長;兩個信號的相位差也就是60°。
這樣,我們就看到了1GHz的諧波在接收端時藍色的波形,在測試點處為紅色的波形,幅值衰減,相位超前。
再看看3GHz的諧波:

o4YBAGB8_u-AYe29AAMAKHmAMIw398.png

同樣的1000mil,對于3GHz來說就是半波長,相位差180°,這樣我們就發現在測試點處3GHz的頻率分量基本上就衰減完了。
再來看看5GHz的諧波:

pIYBAGB8_w6AZsOiAAQm9A1uw3Q917.png

相位差300°,于是看到測試點的波形衰減,相位滯后。
將在測試點的三個頻率分量的疊加再疊加起來之后:

o4YBAGB8_yeAJD2hAAJ9GML-80c210.png

不知道大家對于這樣的分析方法是感覺如何,是覺得把東西變復雜了還是變簡單了呢?怎么想沒有關系,下一篇中高速先生會將這樣的方法再拓展,相信你會愛上這個方法的。

反射疑云

在前文中有不少公式與計算,但其實個人覺得應用工程師要做的是知道趨勢,知道影響范圍,并不需要精確計算,那是軟件干的事情。
最近聽到一個理論,說大數據時代,人們只需要知其然,不需要知其所以然。想象一下,當我們要做一個項目時,我們可以輕而易舉的知道一些其他類似項目哪些結構成功了哪些結構失敗了,我們還需要理論分析干嘛呢?
這句話到底有沒有道理大家仁者見仁智者見智,下面我們繼續來解決我們的反射問題:Breakout區域有一次阻抗不連續,但走出該區域之后,走線從細變寬,會增加一次反射,那是不是全程按照breakout區域走線會比較好?

o4YBAGB8_rOABEmtAAESsGgiwis759.png

首先將問題進行簡化,由于本身反射系數不大,第四次反射很小,假設傳到RX的信號是最初的信號加上第二次反射的信號。
一段長為X的阻抗不連續,對哪個頻率的影響最大呢?當相位差為(2n+1)π/2時,也就是相差二分之一波長的時候(反射一來一回,對應的X為四分之一波長)。
也就是說,當X為100mil時,第一次最大衰減的頻點為15GHz,我們從S參數中可以很明顯的看出:

o4YBAGB8_kmASXg6AAFyImo-fUw828.png

當X為300mil時,第一次諧振頻率為5GHz:

o4YBAGB8_mGASXHzAAFwHZX9i_A023.png

假設總線長為2000mil,而全部按照breakout區域走線的阻抗去走的話,第一次諧振頻率則變成了750MHz,諧振周期為1.5GHz:

o4YBAGB8_0OAaFdHAAGTiAWo6B0408.png

回頭呼應反射系列文章的第一節,從那幾張圖中可以知道:

四分之一波長差的損耗為二分之一波長差損耗的30%,二分之一波長差時完全沒有了,四分之一波長差時還有70%。全反射(反射系數為1)時,在諧振頻率損耗為100%,諧振頻率的損耗跟反射強度有關。

看到這里估計各位看官也明白了,阻抗不連續越長,影響的頻率越低。的的確確是因為阻抗不連續較短,反射淹沒在上升沿當中了。
根據這套理論,我們很容易去判斷設計中的一些細節對整個系統的影響到底有多大,舉個例子:

信號速率越來越高是一種趨勢,于是各種優化方案也被人們提了出來,這兩個可能是近年來開始被大家熟悉的優化方案,加粗反焊盤上的走線或者填補走線附近的參考層,以防止反焊盤上扇出的走線阻抗偏高。可是這到底有多大的影響或者優化呢?
排除一些特殊情況(連接器,板厚較厚需要使用較大過孔等等),這一段在antipad上的走線長度大約為20mil(親,不要把過孔pad算上哦)。
20mil的第一次諧振頻率大約是多少呢?75GHz(四分之一波長)。如果我們按照二十分之一波長(影響不到1%)來算的話,對應的頻率也是15GHz。您的信號需要做這樣的優化嗎?

看完這些之后,相信能幫助大家在工(he)程(ge)師(wan)精(sui)神和工(qiang)匠(po)精(zheng)神中間找到一個平衡點了。

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