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  • 信号完整性之“过冲”(振铃)深度分析

    千次阅读 多人点赞 2020-08-17 22:51:26
    信号在传输的过程中,往往不是标准的矩形波信号,尤其在高速信号中,保证信号的完整性是十分重要的,影响信号...过冲振铃的一部分,信号电平发生跳变后,第一个峰值电压或谷值电压超过设定的标准电压,主要表现为一

    信号在传输的过程中,往往不是标准的矩形波信号,尤其在高速信号中,保证信号的完整性是十分重要的,影响信号完整性最主要的因素之一,就是阻抗不匹配,通常表现在传输线上,而阻抗不匹配直接导致信号的反射,反射信号与原始信号叠加,就会产生过冲、回沟、台阶等信号完整性问题。本文将主要对因传输线阻抗不匹配导致信号产生过冲(上冲overshoot、下冲undershoot)进行深度分析,并提出部分可行的解决方案。

    一、过冲的定义

    过冲是振铃的一部分,信号电平发生跳变后,第一个峰值电压或谷值电压超过设定的标准电压,主要表现为一个尖端脉冲。

    一般描述过冲的影响,主要考虑:过冲的最大幅值、过冲的持续时间、过冲的发生频率这三个要素。

    二、过冲和振铃的危害

    1、当过冲幅值较大或持续时间较长时,可能回导致电路元器件的失效;

    2、振铃产生的电压波动,可能回多次跨越逻辑电平的电压阈值,造成接收端的误判

    三、过冲产生原因

    本质原因是:传输线阻抗不匹配造成信号的反射,多个反射信号和原信号叠加导致过冲和振铃。

    1、反射及反射系数

    如下图所示,设区域1阻抗为Z1,区域2阻抗为Z2,信号经过两个阻抗不同的区域,在交界处A处,电压和电流不能产生突变(若电压不连续,将产生无穷大的电场;若电流不连续,将产生无穷大的磁场)。
    在这里插入图片描述

    若Z1 ≠ Z2,则关系式 V1 =I1 ×Z1 ; V2 =I2 ×Z2 无法同时满足电压和电流连续的条件V1 = V2,I1 = I2 ,故只能从电磁波反射的角度进行分析,如下所示。
      信号由区域1往区域2传输的过程中,入射(incident)信号、反射信号(reflect)、传输信号(transfer)分别如下图表示:

    在这里插入图片描述
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    分界面两侧的电压相等,有 Vinc + Vref = Vtra ;

    分界面两侧的电流相等,有Iinc - Iref = Itra ;

    再有 Iinc × Z1 = Vinc ;Iref × Z1 = Vref ;Itra × Z1 = Vtra ;

    由以上5个等式可以推导得出:
    在这里插入图片描述
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    2、建立传输模型

    在这里插入图片描述

    一般理想情况下,末端接收端的输入阻抗无穷大,源端输出端的输出阻抗趋近于0。设源端串接的匹配电阻阻抗为Rs,传输线(即PCB走线)阻抗为Rz。

    信号在线上由A往B传送时,在B点信号的反射系数为1,即全反射;

    由B往A传送时,在A点信号的反射系数为 (Rs-Rz)/(Rs+Rz)。

    3、展开时间轴,计算实时反射波形

    下面举个栗子

    设传输线阻抗Rz=30Ω,源端串接的匹配电阻Rs=10Ω,则传输线左端A点反射系数为 (10 - 30)/(10 + 30) = -0.5,右端B点反射系数为 (+∞ - 30)/(+∞ + 30) = 1。

    设初始状态都为低电平0.0V,T0时刻源端跳变为3.3V,发送逻辑高电平信号,末端B点的电压变化如下。
    在这里插入图片描述

    T1时刻,由于电阻分压,传输线左端A点电压为3.3*30/(10+40)=2.475V,抽象理解为T1时刻有一个+2.475V的信号在传输线上向B点传播;

    T2时刻,该信号在B点产生全反射(反射系数为1),T2时刻B点电压为原始信号、入射信号、反射信号的叠加,即0+2.475+2.475 = 4.95V;

    T3时刻,末端的一次反射信号到达A点,由于阻抗不匹配,反射电压为2.475 * (-0.5)=-1.2375V,此时A点电压也为原始信号、入射信号、反射信号的叠加;

    T4时刻,源端的一次反射信号到达B点,同理计算末端B点电压为4.95-1.2375-1.2375 = 2.475V;

    T5时刻,末端的二次反射信号到达A点…

    T6时刻,源端的二次反射信号达到B点,如上图所示计算B点电压为 3.7125V

    在理想情况(无损传输)下,信号会在传输线A、B两端无休止的反射振荡,反射电压的幅值越来越趋近于0,在实际中信号在传输过程中有衰减,最终趋于稳态。

    下面我计算了约50多个数据,反应末端B点的电压变化,如下图所示:(左图为理论数据计算作图,右图为示波器测得实际波形)

    在这里插入图片描述
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    由以上理论推导和数据可知,当源端信号发生跳变后,由于阻抗不匹配,末端会产生多个超过或低于期望电平的脉冲,这就是振铃现象,第一个脉冲就是过冲。

    在下写了一小段C语言代码用于生成数据,copy到excel绘制散点图,代码如下:

    #include <stdio.h>
    #define DataNum 100    //100个数据模拟波形
    #define StartNum 30    //30个起始数据,方便对比
    int main()
    {
        //系统初始条件,参数可改
        float SourceRes=10.0;//源端电阻
        float LineRes=30.0;//传输线电阻
        float StartVoltage=0.0;//初始电平
        float TailVoltage=3.3;//跳变后电平
    
        float ReflectTail = 1.0;//末端反射系数,    假设接收端输入阻抗无穷大,为全反射
        float ReflectSource;//源端反射系数
        float StartTransferVoltage;
        float VoltageReflectSource;
        float OutputData[DataNum]={0};
        int i,j;
        ReflectSource = (SourceRes-LineRes)/(SourceRes+LineRes);//计算源端反射系数
        VoltageReflectSource = (TailVoltage-StartVoltage)*LineRes/(SourceRes+LineRes);//计算传输线起始端电压
    
        for(i=0;i<StartNum;i++)//添加初始数据
            OutputData[i]=StartVoltage;
        for(;i<DataNum;i++)//开始计算保存数据
        {
            OutputData[i] = OutputData[i-1] + (VoltageReflectSource + VoltageReflectSource*ReflectTail);
            VoltageReflectSource *= (ReflectSource*ReflectTail);
        }
        for(j=0;j<DataNum;j++)//输出数据用于Excel绘图
            printf("%f\r\n",OutputData[j]);
        system("pause");
        return 0;
    }
    

    4、改变阻抗匹配条件对比分析波形

    通过改变源端匹配电阻 Rs 的阻值,得到如下一部分模拟数据
    在这里插入图片描述
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    可以发现,当源端电阻小于传输线电阻时,信号变化比较快(上升时间较短),但是会伴随着过冲的产生,影响信号的完整性;

    当源端电阻大于传输线电阻时,信号上升相对比较平缓,能有效解决过冲问题,但是增大了上升时间,限制了信号的传输速度;

    只有当源端电阻和传输线电阻相等时(即阻抗匹配状态),信号质量最接近理想状态。

    注:当源端电平发生由1到0的负跳变时,分析方法同上,这里不再重复阐述,用于生成模拟数据的代码仍然可用

    四、解决方案

    1、减小驱动端的输出电流

    2、端接电阻进行阻抗匹配,本质上是消除信号路径端点的阻抗突变

    大多数情况下在源端串联一个匹配电阻,使传输线阻抗与源端阻抗匹配,在PCB走线时,该电阻尽可能靠近源端器件的输出管脚;

    也有部分情况在末端并联一个匹配电阻到电源或地,以消除信号在末端的一次反射,但这种方式增大了电路的功耗,一般不建议采用;

    3、增加TVS二极管限制峰值

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  • 学习笔记三:衍生兄弟之过冲振铃 先解释下过冲和下冲: 过冲(overshoot):通俗讲,一端到另一端,本来是一条很平整的马路,今天...与过冲非常相关的是振铃,它紧随过冲发生,信号会跌落到低于稳态值,然后可能会反弹

    学习笔记三:衍生兄弟之过冲和振铃

    先解释下过冲和下冲:
    过冲(overshoot):通俗讲,一端到另一端,本来是一条很平整的马路,今天走着走着突然中间多了座山。(超过设定值)

    下冲(undershoot):通俗讲,一端到另一端,本来是一条很平整的马路,今天走着走着突然中间多了悬崖。(低于设定值)
    在这里插入图片描述
    有过冲定随有振铃:
    过冲直观表现就是信号失真。
    同时过冲通常伴有安定时间(也可以称之为振铃持续时间,就是从输出到达稳态需要的时长)。

    与过冲非常相关的是振铃,它紧随过冲发生,信号会跌落到低于稳态值,然后可能会反弹到高于稳态,这个过程可能持续一段时间,直到稳定接近于稳态。振铃持续的时间也叫做安定时间。

    说下信号振铃起因:如果在信号传输过程中感受到阻抗的变化,就会发生信号的反射。

    这个信号可能是驱动端发出的信号,也可能是远端反射回来的反射信号。根据反射系数的公式,当信号感受到阻抗变小,就会发生负反射,反射的负电压会使信号产生下冲。

    信号在驱动端和远端负载之间多次反射,其结果就是信号振铃。

    大多数芯片的输出阻抗都比较低,如果输出阻抗比板上走线的特性阻抗小,那么在没有源端端接的情况下(“或是端接不匹配的话”个人理解哈),也会产生信号振铃。

    而信号振铃的产生会干扰信号的接收,从而导致逻辑错误。

    在笔记一中知道,端接可以影响差分信号质量,那么同理在长传输线设计中,采用端接匹配形式也应该可以有效削弱信号振铃。

    图中接收端红线和绿线存在差异。
    两蓝色椭圆为未端接前信号表现,紫色椭圆是端接后的信号表现

    两蓝色椭圆为未端接前信号表现,紫色椭圆是端接后的信号表现

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  • 过冲振铃 的消除方法

    千次阅读 多人点赞 2019-07-02 08:48:19
    下图为网上资料收集及整理, 好像是很久以前的资料了, 书名应该是: 舰船光学. 资料整理出来, 只为方便大家学习, 无商业行为. 如有版权问题,请告之, 本人及时纠正. ...
    • 下图为网上资料收集及整理, 好像是很久以前的资料了, 书名应该是: <<舰船光学>>.

    • 资料整理出来, 只为方便大家学习, 无商业行为. 如有版权问题,请告之, 本人及时纠正.
      在这里插入图片描述

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  • 随着设计电路中信号工作频率越来越高,连接示波器探头时,就需要更加关注过冲振铃问题。如果在所用探头的带宽范围内发生谐振,就很难断定测量干扰是来自电路,还是来自测量探头,影响结果的测试真实性...

         如何消除示波器探头所产生的过冲和振铃现象

           如何消除示波器探头所产生的过冲和振铃现象,抑制示波器测试系统自身产生谐振对于真实电路测量的影响?

            所有的LC电路都可能会产生谐振,示波器探头也是LC电路,在使用过程中,要避免示波器探头自身带来的谐振现象产生振铃从而影响对于信号的真实测量。随着设计电路中信号工作频率越来越高,连接示波器探头时,就需要更加关注过冲和振铃问题。如果在所用探头的带宽范围内发生谐振,就很难断定测量干扰是来自电路,还是来自测量探头,影响结果的测试真实性。

            首先来认识以下示波器探头阻抗模型,从图1可以看出探头是一个串联谐振电路。对于串联谐振电路,当达到谐振频率点时,系统阻抗降低为最小,引起电压的剧烈变化从而产生过冲或振铃现象。如图2:

            示波器和探头测试,要如何抑制过冲和振铃,PRBTEK带大家先了解几个概念和公式:

            谐振指的是电路中的感应电抗和电容电抗在特定频率处相互抵消,这个特定频率就叫做“谐振频率”。电感器电抗和电容器电抗的值在谐振频率处变为相等,两者相互抵消,最终相加之和为零。因此 2πfL=1/2πfC

            谐振频率计算公式:

            谐振强度可通过指数Q(质量因子)来表示。Q越高表示谐振越强。

            对于串联谐振电路来说 Q=2πfL/R ,f是谐振频率,进一步推导可以得出Q的公式:

    由公式看出,抑制探头自身产生过冲和振铃的方法:

            1. 根据谐振频率计算公式可以看到,减小电感,提高谐振频率,谐振频率移至示波器和探 头带宽之外,从而尽量减少对测量的影响。参考图1探头阻抗结构图,在测试时尽量减少测试引线和接地线长度从而降低电感。(每英寸电线会产生高达 25-nH的电感到探头等效电路中。)

            2. 降低谐振强度Q,根据Q的计算公式,可以增大R,引入阻尼电阻来降低谐振强度,抑制测试系统中产生过冲和振铃。

            实例:4GHz有源探头+5cm连接附件:

            以上是普科科技PRBTEK整理的关于如何消除示波器探头所产生的过冲和振铃现象的介绍,PRBTEK为用户提供多品牌、多型号的示波器探头,比如泰克/TEKTRONIX、是德科技/KEYSIGHT、知用/CYBERTEK和品致/PINTECH等国内外知名品牌,如果您在选型或者使用过程中有任何问题,欢迎访问普科科技PRBTEK官网www.prbtek.com

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信号过冲振铃