信號完整性:反射重解-先導集“反射”的心路歷程

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候通常會說“當傳輸延時大于六分之一的信號的上升時間時,需要考慮信號完整性問題”,于是乎教科書里面都會配上一副類似于這樣表現上升時間或者傳輸延時與反射的圖片:

最開始的時候小陳說這段話時總會覺得很別扭,“我堂堂信號完整性怎么能是區區反射就能說明的呢?”之后隨著理論與實踐的深入,越來越覺得“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信號完整性謎題的兩把最關鍵的鑰匙,小陳也很希望能陪各位書友將反射弄得更清楚一些,趁著圍毆反射的機會,我們將反射系列修改補充后再復習一遍。

在先導集里,我們先來理一理信號這一路發展過來的心路歷程。

在最初的時候,我們還是幾百K幾兆的信號,幾十納秒的上升時間。十幾歐姆的驅動阻抗?沒問題!小半米的走線?沒問題!多負載亂七八糟的拓撲?沒問題!

(10ns上升時間,4個負載,最長負載距離0.8m)

慢慢的芯片工藝越來越發達,一些時鐘芯片,明明只有幾十兆,但是上升時間卻做到了納秒以下,這時候一旦走線過長,原本好好的信號就會由于反射,即使是點對點的傳輸,一旦傳輸線過長,還是會使得接收端無法接收到正確的信號了。

這時候人們要考慮的是縮短走線的距離,或者在鏈路中間加一個redriver。

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

(點對點信號,上升時間100ps,驅動端阻抗為17與34歐姆的比較)

再后來,串行信號出現了,其目標是為了實現超高速傳輸。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間距;源端和末端這樣的反射大的話???那我們還是把發送端與接收端的阻抗都做成跟傳輸線一樣吧:

(發送/接收端阻抗匹配與不匹配的對比)

現在的電子產品,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,在學習的過程中需要帶入時間與長度的概念。

Ps:重發好沒誠意,這里解釋一下為何反射會淹沒在上升時間內。

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

在這幅圖中有兩個關鍵的時間,一個是上升時間TR,一個是傳輸延時TD。什么是TR?是信號從0到1的時間,這是一定會需要時間的。上圖中,信號的上升時間是100ps,傳輸延時是1ns。也就是說,第一個信號到達接收端的時候是1ns時,但是,信號達到最高幅值1.6V的時間是1.1ns。第二個反射波到達接收端的時候是3ns時。

當我們的上升時間變成了1ns時,我們經過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的時間是2ns。

當我們信號的上升時間為2ns的時候呢?也是可以的。但是如果當信號的上升時間大于2ns時,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過來了。于是,當信號的上升時間為3ns時,反彈圖變成了這樣子:

注意箭頭位置,信號上升的斜率發生了明顯的變化,這是因為多次反射波的疊加。

當信號的上升時間再長一點呢?他可能就不止會疊加第二次的反射波,還會疊加第三次第四次第五次第六次,多次的反射疊加之后,就幾乎看不出來反射的現象了。

在后文中,會將信號分解,從另外一個角度去分析解釋該現象。