信号完整性之“过冲“（振铃）深度分析

 信号在传输的过程中，往往不是标准的矩形波信号，尤其在高速信号中，保证信号的完整性是十分重要的，影响信号完整性最主要的因素之一，就是阻抗不匹配，通常表现在传输线上，而阻抗不匹配直接导致信号的反射，反射信号与原始信号叠加，就会产生过冲、回沟、台阶等信号完整性问题。本文将主要对因传输线阻抗不匹配导致信号产生过冲（上冲overshoot、下冲undershoot）进行深度分析，并提出部分可行的解决方案。

一、过冲的定义

　　过冲是振铃的一部分，信号电平发生跳变后，第一个峰值电压或谷值电压超过设定的标准电压，主要表现为一个尖端脉冲。

　　一般描述过冲的影响，主要考虑：过冲的最大幅值、过冲的持续时间、过冲的发生频率这三个要素。

二、过冲和振铃的危害

　　1、当过冲幅值较大或持续时间较长时，可能回导致电路元器件的失效；

　　2、振铃产生的电压波动，可能回多次跨越逻辑电平的电压阈值，造成接收端的误判

三、过冲产生原因

　　本质原因是：传输线阻抗不匹配造成信号的反射，多个反射信号和原信号叠加导致过冲和振铃。

1、反射及反射系数

　　如下图所示，设区域1阻抗为Z1，区域2阻抗为Z2，信号经过两个阻抗不同的区域，在交界处A处，电压和电流不能产生突变（若电压不连续，将产生无穷大的电场；若电流不连续，将产生无穷大的磁场）。                 

#include <stdio.h>
#define DataNum 100    //100个数据模拟波形
#define StartNum 30    //30个起始数据，方便对比
int main()
{
//系统初始条件，参数可改
float SourceRes=10
ad0
.0;//源端电阻
float LineRes=30.0;//传输线电阻
float StartVoltage=0.0;//初始电平
float TailVoltage=3.3;//跳变后电平

float ReflectTail = 1.0;//末端反射系数，    假设接收端输入阻抗无穷大，为全反射
float ReflectSource;//源端反射系数
float StartTransferVoltage;
float VoltageReflectSource;
float OutputData[DataNum]={0};
int i,j;
ReflectSource = (SourceRes-LineRes)/(SourceRes+LineRes);//计算源端反射系数
VoltageReflectSource = (TailVoltage-StartVoltage)*LineRes/(SourceRes+LineRes);//计算传输线起始端电压

for(i=0;i<StartNum;i++)//添加初始数据
OutputData[i]=StartVoltage;
23     for(;i<DataNum;i++)//开始计算保存数据
{
OutputData[i] = OutputData[i-1] + (VoltageReflectSource + VoltageReflectSource*ReflectTail);
VoltageReflectSource *= (ReflectSource*ReflectTail);
}
for(j=0;j<DataNum;j++)//输出数据用于Excel绘图
printf("%f\r\n",OutputData[j]);
system("pause");
return 0;
}

4、改变阻抗匹配条件对比分析波形

　　通过改变源端匹配电阻 Rs 的阻值，得到如下一部分模拟数据

　　可以发现，当源端电阻小于传输线电阻时，信号变化比较快（上升时间较短），但是会伴随着过冲的产生，影响信号的完整性；

　　当源端电阻大于传输线电阻时，信号上升相对比较平缓，能有效解决过冲问题，但是增大了上升时间，限制了信号的传输速度；

　　只有当源端电阻和传输线电阻相等时（即阻抗匹配状态），信号质量最接近理想状态。

 　　　　注：当源端电平发生由1到0的负跳变时，分析方法同上，这里不再重复阐述，用于生成模拟数据的代码仍然可用

四、解决方案

　　1、减小驱动端的输出电流

　　2、端接电阻进行阻抗匹配，本质上是消除信号路径端点的阻抗突变

　　　　大多数情况下在源端串联一个匹配电阻，使传输线阻抗与源端阻抗匹配，在PCB走线时，该电阻尽可能靠近源端器件的输出管脚；

　　　　也有部分情况在末端并联一个匹配电阻到电源或地，以消除信号在末端的一次反射，但这种方式增大了电路的功耗，一般不建议采用；

　　3、增加TVS二极管限制峰值