传输线的反射干扰分析
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。
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。
23
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。
8
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。
信号反射问题解决方法
为大家介绍一下高速信号的反射问题和解决方案: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。
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，信号就会发生反射。
信号发生反射的原因是源端与负载端的阻抗不匹配引起的，因此要进行阻抗匹配来解决反射问题，反射系数公式为：ρ为反射系数，Z1为信号最初所在区域的瞬时阻抗，Z2为信号进入另一区域的瞬时阻抗。
解决信号反射的方法有一下几种方法:一、串联终端匹配:示意图如下图（1）所示：图（1）在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射。
所以当R的电阻值等于Z0时反射信号完全被电阻吸收（假设理想的驱动器的输出阻抗为零）。
这种匹配方法简单在源端只需加入一个电阻原件，相对于其他匹配方法来说匹配电阻的功耗是最小的，不会给驱动器带来额外的直流电流，也不会给信号和地直接引入额外的阻抗，成本低，也节省电路板上的空间。
CPU作为输出信号时防止反射信号就用串联终端匹配，USB信号也采用这种方法做阻抗匹配。
二、并联终端匹配在信号源端阻抗很小的情况下，通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，达到消除负载端反射的目的。
实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。
1、单电阻并联端接：在芯片的输入阻抗很高的情况下，对单电阻形式来说，负载端的并联电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等。
其连接方式如图2所示：图2这样设计的缺点是会带来直流损耗，匹配电阻接地会使信号的下降沿下降过快，会影响信号的占空比。
由于一般芯片的的输入阻抗很高，所以为了达到阻抗匹配需使匹配电阻阻抗和传输线阻抗相接近，即阻抗不会太大，所以电流驱动能力需要很强。
由于典型的TTL或CMOS电路的驱动能力很小，这种单电阻的并联匹配方式很少出现在这些电路中。
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。
数字信号传输过程中的反射干扰及其抑制方法
数字信号传输过程中的反射干扰及其抑制方法[摘要] 在数字电路(特别是高速数字电路)信号有线传输过程中,存在传输信号的反射干扰问题。
在简要介绍传输线等效电路的基础上,分析了数字信号传输线的反射特性和数字信号有线传输时存在的反射干扰,给出了数字信号反射干扰的抑制方法和措施。
[关键词] 数字信号传输线反射干扰阻抗匹配1引言在高频电路和微波电路中,通常比较重视研究信号的反射干扰问题。
反射干扰是指在信号的传输过程中,由于传输系统的传输线特性阻抗与负载阻抗不匹配等原因,使得传输到负载上的信号部分或全部被反射回来,从而对传输信号造成的干扰。
反射干扰严重时甚至会使信号无法进行传输。
要抑制或消除反射干扰,必须使信源内阻等于传输线特性阻抗,同时传输线的特性阻抗又等于负载阻抗,实现阻抗匹配。
实际上,信号的反射干扰问题在数字电路信号传输过程中同样存在,特别是在高速数字电路中,传输信号的反射干扰问题非常突出。
数字信号在传输线中传输(尤其是长距离传输)时,传输线的长度、结构等因素直接影响到反射信号的量值,造成信号波形畸变或产生脉冲噪声,严重时甚至会导致电路误动作。
研究数字电路中信号传输的反射干扰及其抑制方法有重要的实际意义。
2数字信号传输线反射特性分析2.1传输线及其等效电路图1 传输线及其等效电路图1是传输线及其等效电路。
传输线都有分布电容和分布电感。
如将整个传输线分成n小段,每小段均由自己的分布电容和电感,由于电感阻碍电流的突变,而电容阻碍电压的突变,因此,在电路开关闭合后,并不是整个传输线上所有各点都同时达到电压的定值U和电流的定值I,而是像电压波和电流波那样按相同的速度向终点推进。
电流的大小既与传输线本身的特性有关,也与负载特性有关。
电压波和电流波幅度之间的关系,一般只取决于传输线本身的分布参数C1和L1(C1、L1分别表示单位长度传输线上的分布电容量和电感量),即通常把称为传输线的特性阻抗。
传输线的特性阻抗反映了沿传输线运行的电压波和电流波之间的关系。
传输线的输入阻抗反射系数与工作状态
Z(z')Z0
1lej2z' 1lej2z'
(2-32)
三、传输线的驻波状态
jxl
z为 正
I
UU I
0
图 2-7
jxl
z为 负
U
I
0
三、传输线的驻波状态
再考虑 l e的jl 一般情况
1ej(2z'l) Z(z')Z01ej(2z'l)
相位因子又重新整理成
于是比较可知
2z'g
4
4gl
z"
z'
3. 反射系数与阻抗的关系
(2-21)
任意 z'情况
Z(z')Z011((zz'')) (z')Z(z')Z0
Z(z')Z0
任意 z'情况
Zl Z011ll
l ZZll
Z0 Z0
二、传输线的行波状态
如果负载 Zl 或Z0 无限长传输线，这时
l
Zl Zl
Z0 Z0
0
无反射波，我们称之为行波状态或匹配
负并非绝对，严格地说，应该是min | | 的正z 负性。
三、传输线的驻波状态
z
0
UI
IU
z
Ei Si
Hi
z
0
Er
Sr
Z
Hr
z
0 ,=
z
0
0
图 2-6
三、传输线的驻波状态
［附注］对于等效长度问题，我们也可以 采用反射系数相位 l来加以研究
1ej2z' Z(z')Z01ej2z' 以短路状态为标准
传输线匹配与反射
5.7 使用TDR测量反射
信号源输出阶跃信号约400mV，经过50W校准电阻。紧靠 该电阻是测试点，高速采样放大器测该点电压值。一根短 同轴电缆，连接到前面板SMA插头上。DUT就插在该SMA 插头上。信号从源端注入DUT，在采样点处探测反射信号。 测试点处有两个电阻，第一个电阻是内部校准电阻，第二 个是TDR内部的传输线。 在测试点，测得的电压为: 400mV×50W/(50W50W)200mV，并在高速采样示波器 中显示出来。信号继续沿内部同轴电缆到达DUT 。
在区域1，分界处总Vi电nc 流V由re入fl 射 V电tra流ns和反射电流决定，它
们传播方向相反。区域1分界面处净电流为Iinc-Irefl。 在区域2中，电流等于Itrans。分别从分界面两侧看进去， 电流相同的条件是：
Iinc I每个区域中的阻抗值为该区域中电压与电流的比值：
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5.3 电阻性负载的反射
如果区域2是开路，则反射系数为1。此时开路处有两 个方向相反的波相叠加。
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5.3 电阻性负载的反射
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-1： (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0V。
当它驱动一个高阻抗时，可以得到源输出电压。如果在输 出端串联一个Rt=10W的小电阻，测量该电阻电压Vt，可 以计算出驱动器内阻Rs。
Rs
Rt VVot
1
Rs表示驱动器内阻； Rt表示输出端连接的终端电阻； Vo表示驱动器的开路输出电压； Vt表示终端电阻两端的电压。
接有终端电阻的输出驱动器简单模型。
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。
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传输线的反射干扰分析
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”。
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，。
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，。
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，。
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。