信號(hào)完整性:反射重解-先導(dǎo)集“反射”的心路歷程

文 | 陳德恒 一博科技高速先生團(tuán)隊(duì)隊(duì)員 系列:反射

我們?cè)诮榻B信號(hào)完整性的時(shí)候通常會(huì)說(shuō)“當(dāng)傳輸延時(shí)大于六分之一的信號(hào)的上升時(shí)間時(shí),需要考慮信號(hào)完整性問(wèn)題”,于是乎教科書(shū)里面都會(huì)配上一副類似于這樣表現(xiàn)上升時(shí)間或者傳輸延時(shí)與反射的圖片:

最開(kāi)始的時(shí)候小陳說(shuō)這段話時(shí)總會(huì)覺(jué)得很別扭,“我堂堂信號(hào)完整性怎么能是區(qū)區(qū)反射就能說(shuō)明的呢?”之后隨著理論與實(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?dāng)_就拿到了解開(kāi)信號(hào)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,趁著圍毆反射的機(jī)會(huì),我們將反射系列修改補(bǔ)充后再?gòu)?fù)習(xí)一遍。

在先導(dǎo)集里,我們先來(lái)理一理信號(hào)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(hào),幾十納秒的上升時(shí)間。十幾歐姆的驅(qū)動(dòng)阻抗?沒(méi)問(wèn)題!小半米的走線?沒(méi)問(wèn)題!多負(fù)載亂七八糟的拓?fù)?沒(méi)問(wèn)題!

(10ns上升時(shí)間,4個(gè)負(fù)載,最長(zhǎng)負(fù)載距離0.8m)

慢慢的芯片工藝越來(lái)越發(fā)達(dá),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)候一旦走線過(guò)長(zhǎng),原本好好的信號(hào)就會(huì)由于反射,即使是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸,一旦傳輸線過(guò)長(zhǎng),還是會(huì)使得接收端無(wú)法接收到正確的信號(hào)了。

這時(shí)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(gè)redriver。

后來(lái),出現(xiàn)了像DDRx這樣的幾百兆甚至上G的信號(hào),驅(qū)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,再不行的話還需要加匹配電阻或者拉低傳輸線阻抗來(lái)減小源端反射,甚至加上了ODT等等。拓?fù)湟膊皇窍朐趺醋呔驮趺醋吡?T點(diǎn)到遠(yuǎn)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。

(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào),上升時(shí)間100ps,驅(qū)動(dòng)端阻抗為17與34歐姆的比較)

再后來(lái),串行信號(hào)出現(xiàn)了,其目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)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(yù)加重均衡;串?dāng)_大咱們可以拉開(kāi)間距;源端和末端這樣的反射大的話???那我們還是把發(fā)送端與接收端的阻抗都做成跟傳輸線一樣吧:

(發(fā)送/接收端阻抗匹配與不匹配的對(duì)比)

現(xiàn)在的電子產(chǎn)品,從芯片的設(shè)計(jì)到系統(tǒng)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(duì)我們理解硬件設(shè)計(jì)有非常大的幫助。

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

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

我們學(xué)習(xí)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(dāng)發(fā)送端發(fā)送一個(gè)1V的階躍信號(hào)時(shí),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(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(hào)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(hào)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(hào)到達(dá)接收端的時(shí)候是1ns時(shí),但是,信號(hào)達(dá)到最高幅值1.6V的時(shí)間是1.1ns。第二個(gè)反射波到達(dá)接收端的時(shí)候是3ns時(shí)。

當(dāng)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(dá)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(hào)第一次到達(dá)最高幅值1.6V的時(shí)間是2ns。

當(dāng)我們信號(hào)的上升時(shí)間為2ns的時(shí)候呢?也是可以的。但是如果當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間大于2ns時(shí),接收端的信號(hào)還能達(dá)到1.6V嗎?永遠(yuǎn)不行了,因?yàn)樵?ns處,第二次的反射波已經(jīng)過(guò)來(lái)了。于是,當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間為3ns時(shí),反彈圖變成了這樣子:

注意箭頭位置,信號(hào)上升的斜率發(fā)生了明顯的變化,這是因?yàn)槎啻畏瓷洳ǖ寞B加。

當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間再長(zhǎng)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(xiàn)象了。

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