訊號完整性 接收端容性負載的反射

2021-06-09 07:24:33 字數 1447 閱讀 6695

訊號的接收端可能是整合晶元的乙個引腳,也可能是其他元器件。不論接收端是什麼,實際的器件的輸入端必然存在寄生電容,接受訊號的晶元引腳和相鄰引腳之間有一定的寄生電容,和引腳相連的晶元內部的佈線也會存在寄生電容,另外引腳和訊號返回路徑之間也會存在寄生電容。

好複雜,這麼多寄生電容!其實很簡單,想想電容是什麼?兩個金屬板,中間是某種絕緣介質。這個定義中並沒有說兩個金屬板是什麼形狀的,晶元兩個相鄰引腳也可以看做是電容的兩個金屬板,中間介質是空氣,不就是乙個電容麼。晶元引腳和pcb板內層的電源或地平面也是一對金屬板,中間介質是pcb板的板材,常見的是fr4材料,也是乙個電容。呵呵,搞來搞去,還是回到了最基礎的部分。高手不要笑,太簡單了。不過確實很多人看到寄生電容就感到有點暈,理解不透,所以在這裡囉嗦一下。

回到正題,下面研究一下訊號終端的電容有什麼影響。將模型簡化,用乙個分立電容元件代替所有寄生電容,如圖1所示。

我們考察b點電容的阻抗情況。電容的電流為:

隨著電容的充電,電壓變化率逐漸減小(電路原理中的瞬態過程),電容的充電電流也不斷減小。即電容的充電電流是隨時間變化的。

電容的阻抗為:

因此電容所表現出來的阻抗隨時間變化,不是恆定的。正是這種阻抗的變化特性決定了電容對訊號影響的特殊性。如果訊號上公升時間小於電容的充電時間,最初電容兩端的電壓迅速上公升,這時阻抗很小。隨著電容充電,電壓變化率下降,充電電流減小,表現為阻抗明顯增大。充電時間無窮大時,電容相當於開路,阻抗無窮大。

阻抗的變化必然影響訊號的反射。在充電的開始一段時間,阻抗很小,小於傳輸線的特性阻抗,將發生負反射,反射回源端a點的訊號將產生下衝。隨著電容阻抗的增加,反射逐漸過渡到正反射,a點的訊號經過乙個下衝會逐漸公升高,最終達到開路電壓。

因此電容負載使源端訊號產生區域性電壓凹陷。精確波形和傳輸線的特性阻抗、電容量、訊號上公升時間有關。

對於接收端,很明顯,就是乙個rc充電電路,不是很嚴謹,但是和實際情況非常相似。電容兩端電壓,即b點電壓隨rc充電電路的時間常數呈指數增加(基本電路原理)。因此電容對接收端訊號上公升時間產生影響。

rc充電電路的時間常數為

如果傳輸線特性阻抗為50歐姆,電容量10pf,則10~90充電時間為1.1ns。如果訊號上公升時間小於1.1ns,那麼b點電壓上公升時間主要由電容充電時間決定。如果訊號上公升時間大於1.1ns,末端電容器作用是使上公升時間進一步延長,增加約1.1ns(實際應比這個值小)。圖2顯示了終端電容負載對驅動端和接受端產生影響的示意圖,放在這裡,讓大家能有個感性的認識。

電容為2pf,特徵阻抗為50歐姆,10-90rc上公升時間約為2.2x50x2=0.2ns. 當訊號上公升時間為1ns時,這個附加的0.2ns延遲幾乎無法辨認,也就不重要了。但當上公升時間為0.1ns時,0.2ns的rc時延就是乙個重要的時延累加值了。當驅動遠端的多個負載時,在所有時序分析中加入rc時延累加值就變得非常重要了

總之接收端電容負載的影響有兩點:

1、    使源端(驅動端)訊號產生區域性電壓凹陷。

2、    接收端訊號上公升時間延長。

在電路設計中這兩點都要考慮。

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