信号反射与振铃产生
运算放大电路振铃产生的原因及解决方法
运算放大电路振铃产生的原因及解决方法嘿，咱今儿就来唠唠运算放大电路振铃这档子事儿！你说这运算放大电路啊，有时候就跟那调皮的小孩似的，会弄出振铃来。
那这振铃到底咋来的呢？其实啊，就好比一辆车在路上跑，路要是不平整，它不就颠得厉害嘛。
这运算放大电路里的信号传输，要是遇到了不合适的阻抗啦、不恰当的反馈啦，就像车遇到了坑坑洼洼的路，可不就振铃啦！比如说，布线不合理，这就好比路修得歪七扭八的，信号能顺畅跑吗？当然不能呀，于是振铃就出现啦。
那咋解决这麻烦事儿呢？这可得有点招儿。
首先呢，咱得把那“路”给修修平整咯，也就是把布线弄好，让信号能顺顺当当跑。
然后呢，调整好反馈网络，这就跟给车调个好的悬挂似的，让它稳稳当当的。
还有啊，咱得注意元器件的选择，就像给车选好的轮胎，质量得过硬呀！要是元器件质量不行，那不是更容易出问题嘛。
再打个比方，这运算放大电路就像一个乐团，每个元器件就是乐团里的乐手，要是有个乐手不靠谱，那整首曲子不就乱套啦？所以呀，每个环节咱都得重视起来。
咱还可以给电路加上一些滤波的装置，就好比给乐团加上隔音设备，把那些杂七杂八的声音给过滤掉，让声音更纯净。
或者呢，通过调整电路的参数，就像给乐团调整演奏的节奏和力度，让整个演出更完美。
你想想看，要是咱的运算放大电路一直振铃，那得多闹心呀！就像你听音乐，一直有杂音在那嗡嗡响，你能受得了吗？所以呀，咱得赶紧把这振铃的问题解决咯。
总之呢，要解决运算放大电路振铃，就得像个细心的医生一样，仔细诊断出问题所在，然后对症下药。
可不能马虎大意呀，不然这振铃可就一直缠着你咯！咱得让咱的电路稳稳当当工作，别给咱添乱子，对吧？所以呀，大家可得把这些方法记住咯，遇到振铃别慌张，咱有办法对付它！。
信号完整性需要重视的几大关键问题
信号完整性需要重视的几大关键问题信号完整性是许多设计人员在高速数字电路设计中涉及的主要主题之一。
信号完整性涉及数字信号波形的质量下降和时序误差，因为信号从发射器传输到接收器会通过封装结构、PCB走线、通孔、柔性电缆和连接器等互连路径。
当今的高速总线设计如LpDDR4x、USB 3.2 Gen1 / 2(5Gbps / 10Gbps)、USB3.2x2(2x10Gbps)、PCIe和即将到来的USB4.0(2x20Gbps)在高频数据从发送器流向接收器时会发生信号衰减。
本文将概述高速数据速率系统的信号完整性基础知识和集肤效应、阻抗匹配、特性阻抗、反射等关键问题。
随着硅节点采用10nm、7nm甚至5nm工艺，这可以在给定的芯片尺寸下实现高集成度并增加功能。
在移动应用中，趋势是更高的频率和更高的数据速率，并降低工作核心电压如0.9v、0.8V、0.56V甚至更低以优化功耗。
在较低的工作电压下以较高的频率工作会使阈值电平或给定位数据的数据有效窗口变小，从而影响走线和电源层分配功率以及“眼图”的闭合度。
由较高频率和较低工作电压引起的闭眼，增加了数据传输误差的机会，因而增加了误码率，这就需要重新传输数据流。
重传会导致处理器在较长时间处于有源模式以重传数据流，这会导致移动应用更高的功耗并减少使用日(DOU)。
图1. 频率和较低电压对眼图张开的影响在给定的高频设计中增加其它设计挑战如信号衰减、反射、阻抗匹配、抖动等时，很明显，信号损耗使接收器难以正确译出信息，从而增加了误差的机会。
数据流中的时钟采样在接收器处，数据是在参考时钟的边缘处采样的。
眼图张开越大，就越容易将采样CLK设置在给定位的中间以采样数据。
任何幅值衰减、反射或任何抖动，都将使眼图更闭合并使数据有效窗口和有效位时间变得更窄，从而导致接收端出现误差。
图2. CLK采样现在，让我们检查何时需要将通道或互连视为传输线，并查看在智能手机或平板电脑等系统中传输损耗的一些主要原因。
振铃的时钟信号分析
存在振铃的时钟信号分析理论分析反射现象信号沿传输线向前传播时，每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗，这个阻抗可能是传输线本身的，也可能是中途或末端其他元件的。
对于信号来说，它不会区分到底是什么，信号所感受到的只有阻抗。
如果信号感受到的阻抗是恒定的，那么他就会正常向前传播，只要感受到的阻抗发生变化，不论是什么引起的（可能是中途遇到的电阻，电容，电感，过孔，PCB 转角，接插件），信号都会发生反射。
PCB上的走线对于高频信号而言相当于传输线，信号在传输线中传播时，如果遇到特性阻抗不连续，就会发生反射。
反射可能发生在传输线的末端，拐角，过孔，元件引脚，线宽变化，T型引线等处。
总之，无论什么原因引起了传输线的阻抗发生突变，就会有部分信号沿传输线反射回源端。
工程中重要的是反射量的大小。
表征这一现象的最好的量化方法就是使用反射系数。
反射系数是指反射信号与入射信号幅值之比，其大小为：(Z2-Z1)/(Z2+Z1)。
Z1是第一个区域的特性阻抗，Z2是第二个区域的特性阻抗。
当信号从第一个区域传输到第二个区域时，交界处发生阻抗突变，因而形成反射。
纯电阻性负载的反射是研究反射现象的基础，阻性负载的变化是以下四种情况：阻抗增加有限值、减小有限值、开路（阻抗变为无穷大）、短路（阻抗突然变为0）。
阻抗增加有限值：假设PCB线条的特性阻抗为50欧姆，传输过程中遇到一个100欧姆的贴片电阻，暂时不考虑寄生电容电感的影响，把电阻看成理想的纯电阻，那么反射系数为：，信号有1/3被反射回源端。
如果传输信号的电压是3.3V电压，反射电压就是1.1V。
这时，信号反射点处就会有两个电压成分，一部分是从源端传来的3.3V电压，另一部分是在反射电压1.1V，那么反射点处的电压为二者之和，即4.4V。
阻抗减小有限值：仍按上面的例子，PCB线条的特性阻抗为50欧姆，如果遇到的电阻是30欧姆，则反射系数为：，反射系数为负值，说明反射电压为负电压，值为。
此时反射点电压为3.3V+（-0.825V）=2.475V。
信号完整性-反射
假设传输线的末端是开路，1ns 后在线末端，测得开 路两端的总电压为两个波之和，即 0.84V +0.84V＝1.68V。
再经过 1ns 后，0.84V 反射波到达源端，又一次遇到 阻抗突变。源端的反射系数是(10 - 50)/(10+50)＝- 0.67， 这时将有 0.84V×(-0.67)＝-0.56V 反射回线远端。当然， 这个新产生的波又会从远端反射回源端，即-0.56V 电压将 被反射回来。线远端开路处将同时测得四个波：从一次行 波中得到 2×0.84 V＝1.68 V，从二次反射中得到的 2× (-0.56)＝-1.12 V，故总电压为 0.56 V。
8.1 阻抗变化处的反射
无论什么原因使瞬态阻抗发生了改变，部分信号将沿 着与原传播方向相反的方向反射，而另一部分将继续传播， 但幅度有所改变。将瞬态阻抗发生改变的地方称为阻抗突 变，或简称突变。
反射信号的量值由瞬态阻抗的变化量决定，如图 8.2 所 示。如果第一个区域瞬态阻抗是 Z1，第二个区域是 Z2，则 反射信号与入射信号幅值之比为(后面的 8.10 式给出证明)：
(8.9)
最终可得：
(8.10)
这就是反射系数的定义(即(8.1)式)。用同样的方法可 以很容易推导出传输系数 t。将根据(8.2)式得出的 V ， refl 代入(8.7)式可得：
Vinc Vtrans Vinc Vtrans
Z1
Z1
Z2
对上式通分、化简后可得：
(8.11)
没有人知道到底是什么产生了反射电压？只是知道当 产生之后，只有这样交界面两侧的电压才可以相等，交界 面处的电压才是连续的。同样，在交界面两侧也存在电流 回路，电流也是连续的。这样，整个系统也才是平衡的(有 点唯心主义的解释)。
什么是信号完整性？你需要了解寄生电感、寄生电阻、寄生电容
什么是信号完整性？你需要了解寄生电感、寄生电阻、寄生电容业界经常流行这么一句话：“有两种设计师，一种是已经遇到了信号完整性问题，另一种是即将遇到信号完整性问题”。
固态硬盘作为一种高集成度的高时钟频率的硬件设备，信号完整性的重要性不言而喻。
借着这句话本文主要跟大家聊下信号完整性的一些基本内容。
什么是信号完整性?通俗来讲，信号在互连线的传输过程中，会受到互连线等因素的相互作用而使得信号发生波形畸变的一种现象，这时可以说信号在传输中被破坏了，变得“不完整”。
信号完整性没有一个唯一的规范定义，从广义上讲，指的是信号在高速产品中由互连线引起的所有问题。
高速数字系统中，信号完整性起着重要作用。
如果信号完整性有问题，可能会造成电路无法正常工作。
影响信号完整性的关键电气特性就是互连线的阻抗，它是解决信号完整性的方法核心。
1. 阻抗电路中电流所起的阻碍作用叫做阻抗。
阻抗单位为欧姆，常用Z 表示，表达式是复数:其中实部为电阻和虚部表示电抗(容抗和感抗)。
为什么用复数?电阻代表对信号幅值的衰减，电抗代表对信号相位的改变。
以下分别为电阻，电容，电感部分的阻抗：1.1特性电阻特性电阻是与传输线相关的概念，信号在传输线上的实际传输过程中，会受到传输线上寄生参数(如寄生电感、寄生电阻、寄生电容)的影响，特性阻抗就是综合传输线场景下跟这些寄生参数合成的阻抗。
用下图模型来表示单位长度的传输线：此模型下的阻抗表达式为：在实际的PCB应用中传输线的电阻部分，可以忽略不计，即上式中的R和G为0，PCB传输线特性阻抗的一般表达式：L是单位长度传输线的固有电感，C是单位长度传输线的固有电容传输线阻抗在PCB行业通常将传输线的特性阻抗简称阻抗。
1.2阻抗匹配信号在传输线上传输过程中会受到传输线的阻抗，任何阻抗的突变都会引起信号的反射和失真，过度的反射和失真会引发信号完整性问题。
阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配。
所以说，阻抗匹配对于一个高速数字系统是十分重要的。
电路板级的信号完整性问题和仿真分析
电路板级的信号完整性问题和仿真分析摘要：今天随着电子技术的发展，电路板设计中的信号完整性问题已成为PCB设计者必须面对的问题。
信号完整性指的是什么？信号在电路中传输的质量。
由于电子产品向高速、微型化的发展，导致集成电路开关速度的加快，产生了信号完整性问题。
常见的问题有反弹、振铃、地弹和串扰等等。
这些问题将会对电路板设计产生怎样的影响？通过理论分析探讨，找到解决它们的一些途径。
传统的PCB设计是在样机中去测试问题，极大的降低了产品设计的效率。
使用EDA工具分析，可以将问题在计算机中进行暴露处理，降低问题的出现，提高产品的设计效率。
这里以Altium Designer 6.0工具为例，介绍分析解决部分信号完整性问题的方法。
关键词：信号完整性 Altium Designer 6.0 仿真分析[中图分类号] O59 [文献标识码] A [文章编号] 1000-7326（2012）04-0125-0320世纪初叶，科学家先后发明了真空二极管和三极管，它代表人类进入了电子技术时代。
随后半导体晶体管和集成电路的出现，将电子技术推向了一个新的时期。
特别是IC芯片的发展，使电子产品越来越趋向于小型化、高速化、数字化。
但同时却给电子设计带来一个新的问题：体积减小导致电路的布局布线密度变大，而同时信号的频率也在迅速提高，如何处理越来越快的信号。
这就是我们硬件设计中遇到的最核心问题：信号完整性。
为什么我们以前在学校学习和电子制作中没有遇到呢？那是因为在模拟电路中，采用的是单频或窄频带信号，我们关心的只是电路的信噪比，没有去考虑信号波形和波形畸变；而在数字电路中，电平跳变的信号上升时间比较长，一般为几个纳秒。
元件间的布线不会影响电路的信号，所以都没有去考虑信号完整性问题。
但是今天，随着GHz时代的到来，很多IC的开关速度都在皮秒级别，同时由于对低功耗的追求，芯片内核电压越来越低，电子系统所能容忍的噪声余量越来越小，那么电路设计中的信号完整性问题就突现出来了。
过冲及振铃现象实验分析
过冲及振铃实验现象分析1.测试电路及过冲、振铃现象测试电路如下图所示，A点为电压输出口，B点为为了接入电阻而切开的口，C点为同轴电压监测点。
BA C在B点出用导线连接时，在C点引同轴线到示波器（示波器内阻1M），观察到上升沿有过冲及振铃现象，如下图所示。
1.2 振铃产生的原因分析1.2.1 振铃现象的产生那么信号振铃是怎么产生的呢?前面讲过，如果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很低，如果输出阻抗小于PCB走线的特性阻抗，那么在没有源端端接的情况下，必然产生信号振铃。
信号振铃的过程可以用反弹图来直观的解释。
假设驱动端的输出阻抗是10欧姆，PCB走线的特性阻抗为50欧姆(可以通过改变PCB走线宽度，PCB走线和内层参考平面间介质厚度来调整)，为了分析方便，假设远端开路，即远端阻抗无穷大。
驱动端传输3.3V电压信号。
我们跟着信号在这条传输线中跑一次，看看到底发生了什么?为分析方便，忽略传输线寄生电容和寄生电感的影响，只考虑阻性负载。
下图为反射示意图。
第1次反射：信号从芯片内部发出，经过10欧姆输出阻抗和50欧姆PCB 特性阻抗的分压，实际加到PCB走线上的信号为A点电压3.3*50/(10+50)=2.75V。
传输到远端B点，由于B点开路，阻抗无穷大，反射系数为1，即信号全部反射，反射信号也是2.75V。
此时B点测量电压是2.75+2.75=5.5V。
第2次反射：2.75V反射电压回到A点，阻抗由50欧姆变为10欧姆，发生负反射，A点反射电压为-1.83V，该电压到达B点，再次发生反射，反射电压-1.83V。
此时B点测量电压为5.5-1.83-1.83=1.84V。
信号完整性：信号振铃是怎么产生的
信号完整性：信号振铃是怎么产生的时间:2009-04-21 17:22来源:未知作者:于博士信号的反射可能会引起振铃现象，一个典型的信号振铃如图1所示。
图1那么信号振铃是怎么产生的呢？前面讲过，如果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很低，如果输出阻抗小于PCB走线的特性阻抗，那么在没有源端端接的情况下，必然产生信号振铃。
信号振铃的过程可以用反弹图来直观的解释。
假设驱动端的输出阻抗是10欧姆，PCB走线的特性阻抗为50欧姆（可以通过改变PCB走线宽度，PCB走线和内层参考平面间介质厚度来调整），为了分析方便，假设远端开路，即远端阻抗无穷大。
驱动端传输3.3V电压信号。
我们跟着信号在这条传输线中跑一次，看看到底发生了什么？为分析方便，忽略传输线寄生电容和寄生电感的影响，只考虑阻性负载。
图2为反射示意图。
第1次反射：信号从芯片内部发出，经过10欧姆输出阻抗和50欧姆PCB 特性阻抗的分压，实际加到PCB走线上的信号为A点电压3.3*50/(10+50)=2.75V。
传输到远端B点，由于B点开路，阻抗无穷大，反射系数为1，即信号全部反射，反射信号也是2.75V。
此时B点测量电压是2.75+2.75=5.5V。
第2次反射：2.75V反射电压回到A点，阻抗由50欧姆变为10欧姆，发生负反射，A点反射电压为-1.83V，该电压到达B点，再次发生反射，反射电压-1.83V。
此时B点测量电压为5.5-1.83-1.83=1.84V。
第3次反射：从B点反射回的-1.83V电压到达A点，再次发生负反射，反射电压为1.22V。
该电压到达B点再次发生正反射，反射电压1.22V。
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信号完整性：信号反射
时间:2009-04-17 21:12来源:未知作者:于博士点击: 12021次
信号沿传输线向前传播时，每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗，这个阻抗可能是传输线本身的，也可能是中途或末端其他元件的。
对于信号来说，它不会区分到底是什么，信号所感受到的只有阻抗。
如果信号感受到的阻抗是恒定的，那么他就会正常向前传播，只要感受到的阻抗发生变化，不论是什么引起的（可能是中途遇到的电阻，电容，电感，过孔，PCB转角，接插件），信号都会发生反射。
那么有多少被反射回传输线的起点？衡量信号反射量的重要指标是反射系数，表示反射电压和原传输信号电压的比值。
反射系数定义为：。
其中：为变化前的阻抗，为变化后的阻抗。
假设PCB线条的特性阻抗为50欧姆，传输过程中遇到一个100欧姆的贴片电阻，暂时不考虑寄生电容电感
的影响，把电阻看成理想的纯电阻，那么反射系数为：，信号
有1/3被反射回源端。
如果传输信号的电压是3.3V电压，反射电压就是1.1V。
纯电阻性负载的反射是研究反射现象的基础，阻性负载的变化无非是以下四种情况：阻抗增加有限值、减小有限值、开路（阻抗变为无穷大）、短路（阻抗突然变为0）。
阻抗增加有限值：
反射电压上面的例子已经计算过了。
这时，信号反射点处就会有两个电压成分，一部分是从源端传来的3.3V电压，另一部分是在反射电压1.1V，那么反射点处的电压为二者之和，即4.4V。
阻抗减小有限值：
仍按上面的例子，PCB线条的特性阻抗为50欧姆，如果遇到的电阻是30欧姆，则反射系数为，反射系数为负值，说明反射电压为负电
压，值为。
此时反射点电压为3.3V+（-0.825V）=2.475V。
开路：
开路相当于阻抗无穷大，反射系数按公式计算为1。
即反射电压3.3V。
反射点处电压为6.6V。
可见，在这种极端情况下，反射点处电压翻倍了。
短路：
短路时阻抗为0，电压一定为0。
按公式计算反射系数为-1，说明反射电压为-3.3V，因此反射点电压为0。
计算非常简单，重要的是必须知道，由于反射现象的存在，信号传播路径中阻抗发生变化的点，其电压不再是原来传输的电压。
这种反射电压会改变信号的
波形，从而可能会引起信号完整性问题。
这种感性的认识对研究信号完整性及设计电路板非常重要，必须在头脑中建立起这个概念。
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信号完整性：信号振铃是怎么产生的
时间:2009-04-21 17:22来源:未知作者:于博士点击: 15171次
信号的反射可能会引起振铃现象，一个典型的信号振铃如图1所示。
图1
那么信号振铃是怎么产生的呢？
前面讲过，如果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很低，如果输出阻抗小于PCB走线的特性阻抗，那么在没有源端端接的情况下，必然产生信号振铃。
信号振铃的过程可以用反弹图来直观的解释。
假设驱动端的输出阻抗是10欧姆，PCB走线的特性阻抗为50欧姆（可以通过改变PCB走线宽度，PCB走线和内层参考平面间介质厚度来调整），为了分析方便，假设远端开路，即远端阻抗无穷大。
驱动端传输3.3V电压信号。
我们跟着信号在这条传输线中跑一次，看看到底发生了什么？为分析方便，忽略传输线寄生电容和寄生电感的影响，只考虑阻性负载。
图2为反射示意图。
第1次反射：信号从芯片内部发出，经过10欧姆输出阻抗和50欧姆PCB 特性阻抗的分压，实际加到PCB走线上的信号为A点电压3.3*50/(10+50)=2.75V。
传输到远端B点，由于B点开路，阻抗无穷大，反射系数为1，即信号全部反射，反射信号也是2.75V。
此时B点测量电压是2.75+2.75=5.5V。
第2次反射：2.75V反射电压回到A点，阻抗由50欧姆变为10欧姆，发生负反射，A点反射电压为-1.83V，该电压到达B点，再次发生反射，反射电压-1.83V。
此时B点测量电压为5.5-1.83-1.83=1.84V。
第3次反射：从B点反射回的-1.83V电压到达A点，再次发生负反射，
反射电压为1.22V。
该电压到达B点再次发生正反射，反射电压1.22V。
此时B
点测量电压为1.84+1.22+1.22=4.28V。
第4次反射：。
第5次反射：。
如此循环，反射电压在A点和B点之间来回反弹，而引起B点电压不稳定。
观察B点电压：5.5V->1.84V->4.28V->……，可见B点电压会有上下波动，这就是信号振铃。
图2
信号振铃根本原因是负反射引起的，其罪魁祸首仍然是阻抗变化，又是阻抗！在研究信号完整性问题时，一定时时注意阻抗问题。
负载端信号振铃会严重干扰信号的接受，产生逻辑错误，必须减小或消除，因此对于长的传输线必须进行阻抗匹配端接。