信號完整性:反射重解-先導集“反射”的心路歷程

2021-10-13  by:CAE仿真在線(xiàn)  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

文 | 陳德恒 一博科技高速先生團隊隊員 系列:反射


我們在介紹信號完整性的時(shí)候通常會(huì )說(shuō)“當傳輸延時(shí)大于六分之一的信號的上升時(shí)間時(shí),需要考慮信號完整性問(wèn)題”,于是乎教科書(shū)里面都會(huì )配上一副類(lèi)似于這樣表現上升時(shí)間或者傳輸延時(shí)與反射的圖片:

信號完整性:反射重解-先導集“反射”的心路歷程HFSS分析圖片1

最開(kāi)始的時(shí)候小陳說(shuō)這段話(huà)時(shí)總會(huì )覺(jué)得很別扭,“我堂堂信號完整性怎么能是區區反射就能說(shuō)明的呢?”之后隨著(zhù)理論與實(shí)踐的深入,越來(lái)越覺(jué)得“反射中有黃金屋,反射中有顏如玉”,be the signal,弄清楚反射與串擾就拿到了解開(kāi)信號完整性謎題的兩把最關(guān)鍵的鑰匙,小陳也很希望能陪各位書(shū)友將反射弄得更清楚一些,趁著(zhù)圍毆反射的機會(huì ),我們將反射系列修改補充后再復習一遍。

在先導集里,我們先來(lái)理一理信號這一路發(fā)展過(guò)來(lái)的心路歷程。

在最初的時(shí)候,我們還是幾百K幾兆的信號,幾十納秒的上升時(shí)間。十幾歐姆的驅動(dòng)阻抗?沒(méi)問(wèn)題!小半米的走線(xiàn)?沒(méi)問(wèn)題!多負載亂七八糟的拓撲?沒(méi)問(wèn)題!

信號完整性:反射重解-先導集“反射”的心路歷程HFSS分析圖片2


(10ns上升時(shí)間,4個(gè)負載,最長(cháng)負載距離0.8m)


慢慢的芯片工藝越來(lái)越發(fā)達,一些時(shí)鐘芯片,明明只有幾十兆,但是上升時(shí)間卻做到了納秒以下,這時(shí)候一旦走線(xiàn)過(guò)長(cháng),原本好好的信號就會(huì )由于反射,即使是點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸,一旦傳輸線(xiàn)過(guò)長(cháng),還是會(huì )使得接收端無(wú)法接收到正確的信號了。

信號完整性:反射重解-先導集“反射”的心路歷程HFSS分析圖片3


這時(shí)候人們要考慮的是縮短走線(xiàn)的距離,或者在鏈路中間加一個(gè)redriver。


后來(lái),出現了像DDRx這樣的幾百兆甚至上G的信號,驅動(dòng)端的阻抗已經(jīng)不是你想低就能低了,從十七歐姆到三十四歐姆,再不行的話(huà)還需要加匹配電阻或者拉低傳輸線(xiàn)阻抗來(lái)減小源端反射,甚至加上了ODT等等。拓撲也不是想怎么走就怎么走了,T點(diǎn)到遠端樹(shù)形,菊花鏈到fly-by,還要在末端疏通一下管道,加上上拉電阻。

信號完整性:反射重解-先導集“反射”的心路歷程HFSS分析圖片4


(點(diǎn)對點(diǎn)信號,上升時(shí)間100ps,驅動(dòng)端阻抗為17與34歐姆的比較)


再后來(lái),串行信號出現了,其目標是為了實(shí)現超高速傳輸。功耗大咱們可以降低電平;損耗大咱們可以用預加重均衡;串擾大咱們可以拉開(kāi)間距;源端和末端這樣的反射大的話(huà)???那我們還是把發(fā)送端與接收端的阻抗都做成跟傳輸線(xiàn)一樣吧:

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(發(fā)送/接收端阻抗匹配與不匹配的對比)


現在的電子產(chǎn)品,從芯片的設計到系統的完成,都需要考慮反射的影響,好好的了解一下反射的原理對我們理解硬件設計有非常大的幫助。

Ps:特別提醒,在學(xué)習的過(guò)程中需要帶入時(shí)間與長(cháng)度的概念。

Ps:重發(fā)好沒(méi)誠意,這里解釋一下為何反射會(huì )淹沒(méi)在上升時(shí)間內。

我們學(xué)習的時(shí)候公式是二維的,并沒(méi)有增加時(shí)間的概念,于是源端低阻抗,末端高阻抗時(shí),當發(fā)送端發(fā)送一個(gè)1V的階躍信號時(shí),我們通??吹降慕邮斩瞬ㄐ问且环@樣的反彈圖:

信號完整性:反射重解-先導集“反射”的心路歷程HFSS圖片6


在這幅圖中有兩個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間,一個(gè)是上升時(shí)間TR,一個(gè)是傳輸延時(shí)TD。什么是TR?是信號從0到1的時(shí)間,這是一定會(huì )需要時(shí)間的。上圖中,信號的上升時(shí)間是100ps,傳輸延時(shí)是1ns。也就是說(shuō),第一個(gè)信號到達接收端的時(shí)候是1ns時(shí),但是,信號達到最高幅值1.6V的時(shí)間是1.1ns。第二個(gè)反射波到達接收端的時(shí)候是3ns時(shí)。

當我們的上升時(shí)間變成了1ns時(shí),我們經(jīng)過(guò)反射之后的幅值能不能達到最高值1.6V?顯然是可以的。我們的反彈圖變成了這樣,信號第一次到達最高幅值1.6V的時(shí)間是2ns。

信號完整性:反射重解-先導集“反射”的心路歷程HFSS圖片7


當我們信號的上升時(shí)間為2ns的時(shí)候呢?也是可以的。但是如果當信號的上升時(shí)間大于2ns時(shí),接收端的信號還能達到1.6V嗎?永遠不行了,因為在3ns處,第二次的反射波已經(jīng)過(guò)來(lái)了。于是,當信號的上升時(shí)間為3ns時(shí),反彈圖變成了這樣子:

信號完整性:反射重解-先導集“反射”的心路歷程HFSS圖片8

注意箭頭位置,信號上升的斜率發(fā)生了明顯的變化,這是因為多次反射波的疊加。

當信號的上升時(shí)間再長(cháng)一點(diǎn)呢?他可能就不止會(huì )疊加第二次的反射波,還會(huì )疊加第三次第四次第五次第六次,多次的反射疊加之后,就幾乎看不出來(lái)反射的現象了。

在后文中,會(huì )將信號分解,從另外一個(gè)角度去分析解釋該現象。



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