传输线的反射干扰
传输线原理
传输线原理
传输线原理指的是在电信领域中，用来传输高频电信号的电缆或导线。
其基本原理是利用电磁波在导线或电缆中的传播特性来传输信号。
在传输线中，主要有两种模式的信号传播：差模模式和共模模式。
差模模式是指信号在两个导线之间以相反的极性传播，而共模模式是指信号以相同的极性在两个导线上共同传播。
传输线的传输特性主要包括电阻、电感、电容和导纳等参数。
电阻表示传输线中电流受到阻碍的程度，电感表示在传输信号时线路对磁场的反应，电容表示在线路上存储电荷的能力，导纳则表示电流与电压之间的关系。
在传输线中，信号的传输速度和衰减程度取决于传输线的特性阻抗。
如果输入端和输出端的特性阻抗相等，就可以实现信号的完美传输。
否则，会出现信号的反射和衰减现象。
为了保持信号的完整性，传输线中常采用匹配网络来匹配源和负载的阻抗。
匹配网络可以使信号在传输线中保持一致的特性阻抗，从而最大限度地减少信号的反射和衰减。
此外，传输线还会受到信号的串扰影响。
串扰是指传输线上的两个信号相互干扰，使得接收信号的质量下降。
为了减少串扰效应，可以采用屏蔽措施或增加信号之间的间隔。
总之，传输线原理是通过合理设计电路和选用合适的传输线，
使得高频信号能够在电路中稳定传输，减少信号衰减和串扰，确保信号的质量和完整性。
高速电路传输线反射问题的分析与解决
武汉理工大学班级：___电子与通信工程153班_____ 姓名：_________ ___________ 学号：________1049731503239_______ 教师：____ ____________高速电路传输线反射问题分析与解决（武汉理工大学信息工程学院，武汉，430070）摘要：高速数字信号的传输线反射问题是影响现代数字电路设计的重要原因因素之一，严重的反射将破坏信号的完整性，并引起过冲现象，从而出现错误的数字逻辑和影响电路上元器件的正常使用。
本文重点的分析高速电路中信号反射产生的原因，和给出解决反射问题的方案。
关键词：传输线；反射；解决方案Abstract: Reflection high-speed digital signal is an important factor affecting the modern digital circuit design, serious reflection would undermine the integrity of the signal, and cause overshoot phenomenon, which appears erroneous digital logic and destruction devices. This paper analyzes in detail the causes of signal reflections and phenomena, and give a reflection solution.Keyword: Transmission line；reflection； solution1.引言反射就是在传输线上的回波，如果传输线的长度满足长线时，且没有合适的终端匹配，那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端被反射，从而引起非预期效应，使信号轮廓失真。
反射是传输线的基本效应，即当信号沿着传输线传输时，碰到阻抗不连续时会发生反射。
驻波的原理和危害
驻波的原理和危害
驻波的原理：
驻波是指在传导线或波导中，由于波的反射和干涉引起的波的干扰现象。
当一定频率的信号在传导线或波导中传输时，会发生部分的信号反射，反射信号和传输信号相干干涉，形成驻波。
驻波的形成是由传输线的负载阻抗与传输线本身特性阻抗不匹配引起的。
驻波的危害：
1. 信号衰减: 驻波会导致信号在传输线中部分反射回源端，这些反射信号会与传输信号相互干扰，使得在接收端收到的信号强度降低，导致信号衰减。
2. 信号失真: 驻波会引起信号幅度和相位的变化，导致传输信号失真。
频率较高的信号在传输中产生的驻波更加明显，因此对于高频信号传输的应用，驻波会导致信号失真。
3. 电路不稳定: 在电路中，驻波会导致电流和电压的反射，从而导致电路中的电压和电流分布不均匀。
这种不均匀的分布可能会破坏电路的正常工作，使电路不稳定。
4. 能量损失: 由于驻波的形成会导致信号的反射和干涉，一部分能量被反射回源端，无法被传输到目的地，从而造成能量的损失。
总的来说，驻波会导致信号衰减、失真、电路不稳定和能量损失等问题，降低了信号传输的质量和效率。
因此，在设计和安装传输线或波导时，需要避免或减小驻波的影响。
第五章 传输线与反射
1V入射信号，终端电压值。为入射波与反射波之和。16
第五章 传输线与反射
5.3 电阻性负载的反射
那么采用源端匹配还是终端匹配？
• 常说采用源端匹配较好，为什么？假设源端不匹 配（如传输线特性阻抗为50W ，源内阻为10W）， 而终端匹配（终端负载为50W）。此时，因为传输 线上电压分压的关系，终端实际电压反而不到1V （50/60×1V=0.83V）。另外，终端常常给定的， 或者是要求高阻负载，不易匹配。 • 相 反 ， 对 于 1V 的 信 号 源 ， 当 源 端 单 端 匹 配 （50W），而终端开路时，传输线分压所得的0.5V， 在终端叠加成1V。当反射波返回源端时即被吸收， 不再形成振铃。因此，终端波形为1V的阶跃函数。
利用网格图仿真传输线远端的电压。用SPICE仿真得到。
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第五章 传输线与反射
5.5 反弹图
图中有两个重要的特性：
第一，远端的电压最终逼近源电压1V，因为该 电路是开路的。所以，这是一个必然的结果， 即源电压最终是加在开路上。
第二，开路处的实际电压有时大于源电压。源 电压仅1V，然而远端测得的最大电压是1.68V。
入射信号穿越分界面时，产 生了反射电压和电流，从而 使分界面两侧的电压和电流 回路相匹配。
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第五章 传输线与反射
5.2 反射形成机理
• 入 射 信 号 Vinc 向 着 分 界 面 传 播 ， 而 传 输 信 号 Vtrans向远离分界面的方向传播。分界面两侧电 压相同的条件：
Vinc Vrefl Vtrans
驱动器分别连接电阻10kW和10W时的输出电压。由这两个电压 19 计算驱动器内阻。
电路中的传输线理论与高频电路设计
电路中的传输线理论与高频电路设计在电路设计和高频通信领域，传输线理论是一个重要的概念。
传输线是用于在电路中传输信号的特殊导线结构，它们能够保持信号的高质量传输，并减少信号在传输过程中的失真和损耗。
本文将介绍传输线理论的基本原理，并探讨其在高频电路设计中的应用。
1. 传输线理论的基本原理传输线理论是基于电磁波传播的原理。
相比于简单的电缆或导线，传输线能够在高频信号传输过程中更好地保持信号的完整性。
其原理主要包括以下几个重要概念：1.1 行波特性传输线中的信号以行波的形式传播，而不是简单的电流或电压信号。
行波特性使得信号能够在传输线上快速传播，并减少由于信号的反射和干扰而引起的失真。
1.2 传输线参数传输线的参数包括特性阻抗、电感、电容和导纳等。
这些参数影响着传输线对信号的传输速度和阻抗匹配等特性。
1.3 反射和干扰传输线上的信号可能会产生反射和干扰，这会引起信号的失真和损耗。
传输线理论通过合理设计传输线的特性阻抗和终端阻抗，减少反射和干扰对信号的影响。
2. 传输线在高频电路设计中的应用传输线理论在高频电路设计中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：2.1 高频信号传输在高频电路中，如射频电路或微波电路中，传输线通常被用于传输高频信号。
由于传输线的特性，它能够有效地传输高频信号，并减少信号在传输过程中的失真和损耗。
2.2 信号匹配与阻抗匹配传输线的特性阻抗对于信号的匹配和阻抗匹配非常重要。
在高频电路设计中，传输线可以用于匹配信号源和负载之间的阻抗，以确保信号的高质量传输。
2.3 信号延迟和相位控制传输线能够在电路中引入延迟和控制信号的相位。
这在一些特定的高频电路设计中具有重要作用，比如时钟分配、数据同步等。
3. 设计优化与验证在高频电路设计中，传输线的设计需要考虑多个因素，如传播延迟、功率损耗、信号完整性等。
通过使用传输线理论，可以对传输线的参数和特性进行优化，并确保电路的性能满足设计要求。
4. 结论传输线理论是理解和设计高频电路中不可或缺的一部分。
信号完整性(SI)分析-9~10传输线与反射
反射和失真使信号质量下降。一些情况下，它们看起来 就像是振铃。引起信号电平下降的下冲可能会超过噪声容 限，造成误触发。图 8.1 示例了短传输线末端由阻抗突变 造成的反射噪声。
Voltage, V ── 电压，V
time，nsec ──时间，ns
图 8.1 在 1 in 长、阻抗可控互连线的接收端，由于阻抗不匹配和 多次反射而产生的“振铃”噪声。
第二种特殊情况是传输线的末端与返回路径相短路， 即末端阻抗为 0。反射系数为(0 - 50) /(0 + 50) = -1。 1V 入射信号到达远端时，产生-1V 反射信号向源端传播。 短路突变处测得的电压为入射电压与反射电压之和， 即 1V + -1V＝0。这是合理的，因为如果此处是严格按定义 规定的短路，短路点两侧不可能有电压差。此处电压为 0V 的原因就是它是从源端出发的正向行波和返回源端的负向 行波之和。
高速电路与系统互连设计中 信号完整性(SI)分析
(之9~10[八]：传输线与反射)
李玉山
西安电子科技大学电路CAD研究所
8.0
提示
引言
如果信号沿互连线传播时所受到的瞬态阻抗发生变化，则一部分信号将
被反射，另一部分发生失真并继续传播下去，这一原理正是单一网络中多数信号完整 性问题产生的主要原因。
―――――――――――――――――――――――――――――――――
reflected ──反射
incident── 入射
measured ──测量
图 8.4 如果区域 2 是开路，则反射系数
经常说信号到达传输线的末端时，其值翻倍。从数值上这是正确的，可实
际上发生的情况并非如此。总电压即两个行波之和虽然是入射电压的两倍，但是这样 说会引起错误的直觉。最好还是把末端电压看作入射电压与反射电压之和。
电路设计中的信号完整性SI问题分析与解决
电路设计中的信号完整性SI问题分析与解决引言：在现代电子设备中，信号完整性是一个至关重要的问题。
由于信号的传输速度越来越高，信号完整性问题变得尤为突出。
本文将分析信号完整性（Signal Integrity，简称SI）问题在电路设计中的重要性，并介绍一些常见的SI问题及其解决方法。
一、信号完整性的重要性信号完整性是指在信号传输过程中保持信号波形的准确性和完整性，确保信号的正确传递和解读。
如果信号受到干扰、衰减或失真，可能会导致数据的错误传输或丢失。
这对于各种电子设备，尤其是高速数据传输的系统来说，都是一项极其重要的考虑因素。
二、常见的SI问题1. 反射干扰反射干扰是信号在多个传输线之间传播时产生的一种干扰现象。
当信号到达传输线末端时，一部分信号能够反射回来，与输入信号相叠加，引起波形失真。
这种干扰主要由于阻抗不匹配引起。
2. 串扰干扰串扰干扰是指在多条相邻的传输线上，信号在传输过程中相互影响的现象。
这种干扰主要由于电磁场相互耦合引起，导致信号波形失真，降低信号质量。
3. 时钟抖动时钟抖动是指时钟信号在传输中出现的随机时移现象。
时钟抖动可能导致时序错误，使系统无法正确同步，进而影响整个系统的性能。
三、SI问题的解决方法1. 降低阻抗不匹配为了解决反射干扰问题，可以通过匹配传输线和负载的阻抗，减少信号反射。
采用合适的终端电阻，可以使信号在传输线上的反射最小化。
2. 优化布线方式在设计电路板布线时，应尽量避免传输线之间的相互干扰。
合理安排和分隔传输线的布局，使用屏蔽层和地平面层等技术手段，可有效减少串扰干扰。
3. 使用信号完整性分析工具借助信号完整性分析工具，可以模拟和分析信号在电路板上的传输过程，帮助发现潜在的SI问题。
通过调整设计参数，优化电路板布线，可以提前预防并解决SI问题。
4. 时钟校准技术对于时钟抖动问题，可以采用时钟校准技术来调整时钟信号的时序和相位。
通过使用高精度的时钟源和时钟校准电路，可以有效减少时钟抖动带来的问题。
传输线效应详解
传输线效应详解
传输线效应详解
基于上述定义的传输线模型，归纳起来，传输线会对整个电路设计带来以下效应。
• 反射信号Reflected signals
• 延时和时序错误Delay & TIming errors
• 多次跨越逻辑电平门限错误False Switching
• 过冲与下冲Overshoot/Undershoot
• 串扰Induced Noise (or crosstalk)
• 电磁辐射EMI radiaTIon
5.1 反射信号
如果一根走线没有被正确终结(终端匹配)，那幺来自于驱动端的信号脉冲在接收端被反射，从而引发不预期效应，使信号轮廓失真。
当失真变形非常显着时可导致多种错误，引起设计失败。
同时，失真变形的信号对噪声的敏感性增加了，也会引起设计失败。
如果上述情况没有被足够考虑，EMI 将显着增加，这就不单单影响自身设计结果，还会造成整个系统的失败。
反射信号产生的主要原因：过长的走线；未被匹配终结的传输线，过量电容或电感以及阻抗失配。
5.2 延时和时序错误
信号延时和时序错误表现为：信号在逻辑电平的高与低门限之间变化。
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一.引言
在微机系统中，接口与其它设备之间的连接要通过一定长度的电缆来实现，在计算机内部，印制电路板之间需要通过焊接线来连接。
在一些其它的脉冲数字电路中也存在这类事的问题。
脉冲信号包含着很多的高频成分，即使脉冲信号本身的重复频率并不十分高，但如果前沿陡峭，在经过传输通道时，将可能发生信号的畸变，严重时将形成振荡，破坏信号的正常传输和电路的正常工作。
脉冲信号的频率越高，传输线的长度越长，即便问题越严重。
二.传输线的反射干扰及其造成的危害
任何信号的传输线，对一定频率的信号来说，都存在着一定的非纯电阻性的波阻抗，其数值与集成电路的输出阻抗和输入阻抗的数值各不相同，在他们相互连接时，势必存在着一些阻抗的不连续点。
当信号通过这些不连续点时便发生“反射”现象，造成波形畸变，产生反射噪声。
另外，较长的传输线必然存在着较大的分布电容和杂散电感，信号传输时将有一个延迟，信号频率越高，延迟越明显，造成的反射越严重，信号波形产生的畸变也就越厉害。
这就是所谓的“长线传输的反射干扰”。
图1是为了演示这种“长线反射”的实验电路，图2是该电路的各点输出波形。
图2(a)是脉冲信号发生器的输出波形，图2(b)是“与非门1”的输出再不连接电缆时的波形，可以看到，该波形同a的输入信号一样，是没有任何畸变的1MHz反向方波。
图2(c)是在接入场传输线后门1点波形，可见该波形出现了“振荡”和“台阶”；在传输线的终端，信号不仅有“振荡”，还出现了幅度高达-6V左右的“过冲”图2(d)。
实验进一步证明，传输线越长，信号的畸变越严重，当传输线达到10m时，信号波形已面目全非了。
对于TTL器件来说，“过冲”超过6V时，对器件输入端的P-N结就有造成损坏的可能。
同时从+3V～-6V的大幅度下降，将会对邻近的平行信号产生严重的串扰，且台阶将造成不必要的延时，给工作电路造成不良的后果。
一旦形成震荡，危害就更严重，这种振荡信号将在信号的始端和终端同时直接构成信号噪声，从而形成有效的干扰。
三.信号传输线的主要特性及阻抗匹配
1.信号传输线的特征阻抗
对于计算机及数字系统来说，经常使用的信号传输线主要有单线（含接连线和印制线等）、双绞线、带状平行电缆、同轴电缆和双绞屏蔽电缆等。
传输线的特性参数很多，与传输线的反射干扰有关的参数主要有延迟时间和波阻抗。
一般说来，反显得信号延迟时间最短，同轴电缆较长，双绞线居中，约为6ns/m。
波阻抗为单线最高，约为数百欧，双绞线的波阻抗，双绞线的波阻抗一般在100Ω-200Ω之间，且绞花越短，波阻抗越低。
从抗干扰的角度讲，同轴电缆最好，双绞线次之，而带状电缆和单线最差。
2.阻抗的匹配
当传输线终端不匹配时，信号被反射，反射波达到始端时，如始端不匹配，同样产生反射，这就发生了信号在传输线上多次往返反射的情况，产生严重的反射干扰。
因此要尽可能做到始端和终端的阻抗匹配，是抑制反射干扰的有效途径。
为此，确定“长线”的最佳长度是至关重要的。
在实际实践中，一般以公式的经验来决定实际电路信号传输线的最大允许不匹配长度（也即“长线”界限）。
其中，为电路转换边沿的平均宽度，对于常用的中速TTL电路，取15ns，为传输线
的延迟时间。
可以计算出，其最大允许匹配长度分别为1m，0.6m和0.4m，否则应考虑阻抗匹配。
对于高速运行的ECL器件，由于其传输时间只有4ns-5ns，故传输长度一般超过20cm时，就应考虑匹配问题。
阻抗匹配的方法可以分为始端阻抗匹配和终端阻抗匹配。
始端阻抗匹配的方法是在电路的输出端，即传输线的输入端串接一个电阻R，使电路的输出电阻（对TTL而言分别为14R和135R）与所用传输线的波阻抗（如双绞线典型波阻抗为130R）相近似，如图3所示。
这种方法简单易行，波形畸变也较小。
但由于电流流经，使在线低压电平上升，从而降低信号低电平的噪声容限。
一般规定低电平的升高要小于0.2V,为此应考虑减少负载们的个数来减小电阻R上的电压降。
无源终端匹配可以在接收端的逻辑门的输入端，即传输线的终端并联一个电阻，其阻值应近似等于传输线的波阻抗，如图4所示。
这种方法一般仅限于发送端采用功率驱动门的场合，如用普通逻辑门输出时，并联这样小的电阻负载，会使其输出高电平下降，从而一般各项电路的高电平噪声容限。
有源终端并联匹配，如图5，可以克服无源终端并联匹配时所造成的高电平噪声容限下降。
在图中交流状态下，电源可视为短路，与的并联值等于传输阻抗的波阻抗。
4 振铃现象的产生及抑制
由于任何传输线都不可避免地存在着引线电阻、引线电感和杂散电容，因此，一个标准的脉冲信号在经过较长的传输线后，极易产生上冲和振铃现象。
大量的实验表明，阴线电阻可使脉冲的平均振幅减小；而杂散电容和引线电感的存在，则是产生上冲和振铃的根本原因。
在脉冲前沿上升时间相同的条件下，阴线电感越大，上冲及振铃现象就越严重；杂散电容越大，则是波形的上升时间越长；而引线电阻的增加，将使脉冲振幅减小。
在实际电路中，采用下列几种方法来来减小和抑制上冲及振铃。
(1)串联电阻。
利用具有较大电阻的传输线或是人为地串入适当的阻尼电阻，可以减小脉冲的振幅，从而达到减小上冲和振铃程度的目的。
但当传入电阻的数值过大时，不禁脉冲幅度减小过多，而且使脉冲的前沿产生延迟。
因此，串入的阻尼电阻值应适当，并且应选用无感电阻，电阻的连接为值应靠近接收端。
(2)减小引线电感。
设法减小线路及传输线的引线电感是最基本的方法，总的原则是：尽量缩短引线长度；加醋到线和印制铜箔的宽度；减小信号的传输距离，采用引线电感小的元器件等，尤其是传输前沿很陡的脉冲信号时更应注意这些问题。
(3)由于负载电路的等效电感和等效电容同样可以影响发送端，使之脉冲波形产生上冲和振铃，因此，应尽量减小负载电路的等效电感和电容。
尤其是负载电路的接地线过长时，形成的地线电感和杂散电容相当可观，其影响不容忽视。
(4)逻辑数字电路中的信号线可增加上拉电阻和交流终端负载，如图6所示。
上拉电阻（可取）的接入，可将信号的逻辑高电平上拉到5V。
交流终端负载电路的接入不影响支流驱动能力，也不会增加信号线的负载，而高频振铃现象却可得到有效的抑制。
上述振铃除了与电路条件有关外，还与脉冲前沿的上升时间密切相关。
即使电路条件相同，当脉
冲前沿上升时间很短时，上冲的峰值将大大增加。
一般对于前沿上升时间在1以下的脉冲，均考虑产生上冲及振铃的可能。
因此，在脉冲信号频率的选择问题上，应考虑在满足系统速度要求的前提下，能选用较低频率的信号绝不选用高频信号；如无必要，也不应过分要求脉冲的前沿非常陡峭。
这对从根本上消除上冲和振铃视听有利的。
五.结束语
理想的匹配状态实际上是不存在的，而且逻辑电路的输入和输出阻抗都具有非线性，且传输线的引线电感和线路的杂散电容的存在也是不可避免的。
因此，即使是最好的匹配，也只能是在不同程度上对反射干扰进行了抑制，使其不致影响系统的正常工作。
因而在实际电路中尽量缩短传输线的长度，则是至关重要和最根本的方法。
任何信号的传输线，对一定频率的信号来说，都存在着一定的非纯电阻性的波阻抗，其数值与集成电路的输出阻抗和输入阻抗的数值各不相同，在他们相互连接时，势必存在着一些阻抗的不连续点。
当信号通过这些不连续点时便发生“反射”现象，造成波形畸变，产生反射噪声。
另外，较长的传输线必然存在着较大的分布电容和杂散电感，信号传输时将有一个延迟，信号频率越高，延迟越明显，造成的反射越严重，信号波形产生的畸变也就越厉害。
这就是所谓的“长线传输的反射干扰”。