🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)

1次阅读
没有评论
这一章在干嘛?

讲清楚反射的物理(为什么要反射、反射多少)、工具(反弹图、SPICE 仿真、TDR 测量),然后进入实战:
什么时候该端接、用哪种端接
,以及各种”不连续点”(stub、过孔、电容、电感)会带来什么麻烦。

8.1 反射系数

8.2 反弹图

8.3 TDR

8.4 何时端接

8.5 端接方案

8.6 各类不连续

8.7 补偿

8.8 小结

8.1 反射系数:阻抗不匹配的”回弹率”

信号在线里传播,遇到瞬时阻抗变化(Z₁→Z₂)时,一部分透射、一部分反射。反射系数:

r = (Z₂ − Z₁) / (Z₂ + Z₁),透射 = 1 + r

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-2:信号遇到瞬时阻抗变化 → 必生反射,透射信号也被扭曲 🪞

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-5:Z₁=50Ω 时,反射系数随 Z₂ 变化 —— 匹配时 r=0;开路 r=+1;短路 r=−1 📈

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-4:末端开路(Z₂=∞)→ r=+1 → 入射波和反射波叠加,电压翻倍 —— 这就是”开路振铃”的由来 💥

对照表:

开路 r=+1(电压翻倍)、短路 r=−1(电压归零)、匹配 r=0(干净)。中间值按公式算。远端看到的电压 = 入射 + 反射。

8.2 反弹图(Bounce Diagram):追迹多次反射

信号会在源端和负载之间来回弹(源端也会反射!)。反弹图就是记录每一次反射的”记账本”。

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-21:反弹图 —— 追踪源端和负载端之间的多次反射和逐拍电压 🧾

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-10:用 SPICE 仿真的远端电压 —— 阶梯式逼近最终电平,每一步都是一次反射 💃

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-1:1 英寸受控阻抗走线因阻抗失配产生的振铃 —— 反射的”多米诺骨牌” 🎢

8.3 TDR:给走线拍”阻抗 X 光”

TDR(时域反射计)= 一个极快的阶跃源 + 采样示波器。它发射快沿,观察反射,把反射系数换算成沿线阻抗分布。哪里阻抗不匹配,TDR 一眼就能看出来。

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-12:TDR 内部原理 —— 快脉冲经过 50Ω 精密电阻和同轴线送到被测器件,采样示波器测总电压 🔬

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-13:TDR 看开路(上跳)和短路(下跳)—— 教科书级波形 📖

8.4 什么时候必须端接?关键判据

走线时延 > 上升沿的 20%,振铃就可能坏事。快速估算:FR4 微带 6 inch/ns,上升沿 1 ns → 走线超过 1.2 英寸就要认真对待。

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-16:100 MHz 时钟,走线时延从上升沿的 20%→30%→40% —— 超过 20% 振铃明显恶化 ⚠️

8.5 端接方案:四种主流打法

端接 位置 特点
源端串联(最常用) 源端 Rs 省功耗、只限点到点,远端波形干净
并联端接 远端到地 功耗大、降低幅度
戴维南端接 远端分压 兼顾直流电平,功耗大
AC 端接 远端+电容 省直流功耗,低频退化

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-17:四种端接方案 —— 最常用的是源端串联(最上)🏆

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-18:有/无源端串联电阻时的远端快沿对比 —— 加了电阻,振铃没了 🎯

源端串联诀窍:

Rs + 驱动器源阻抗 ≈ Z₀。例:驱动源阻抗 20Ω、线 50Ω → Rs ≈ 30Ω。这样发射进线只有半幅,但远端反射回来正好补满 —— 且只在源端耗一次电。

8.6 各类不连续点:stub、过孔、电容、电感

真实板上到处是”不连续”:短桩线(stub)、容性负载(焊盘、栅极)、感性缺口(返回路径断裂)。它们都会造成反射和附加时延。

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-22:中间短桩线的反射/透射 —— stub 时延从上升沿的 20% 增到 60%,反射越来越大 📏

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-23:远端容性负载(0/2/5/10 pF)的反射 —— 电容越大,边沿越圆、反射越明显 🍥

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-30:穿过孔前后的 TDR —— 过孔本身是容性不连续(小凹陷),焊盘越大凹陷越深 🕳️

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-34:感性不连续(0/1/5/10 nH)对源端和接收端信号的影响 —— 电感越大,振铃越凶 🔔

容性不连续时延公式:

延迟附加 ≈ C × Z₀ / 2。过孔焊盘 1 pF × 50Ω / 2 = 25 ps 附加延迟。小,但高速总线里积少成多。

8.7 补偿:用”以毒攻毒”消除不连续

感性缺口(如连接器)可以在两侧各加适量电容,让整个结构重新”看起来像”均匀 50Ω 线。

🪞 第 8 章:Transmission Lines and Reflections(传输线与反射)
图 8-36:感性不连续的两侧补偿电容 —— 把不连续”淹没”在均匀线里 🩹

8.8 The Bottom Line(本章重点)✅

> – 🪞 反射系数 r=(Z₂−Z₁)/(Z₂+Z₁);开路 +1、短路 −1、匹配 0
  • 🏓 源端也会反射 —— 用反弹图/SPICE 追踪多次反射
  • 🔬 TDR = 沿线”阻抗 X 光”,找不连续点的神器
  • ⚠️ 走线时延 > 上升沿 20% → 必须端接
  • 🏆 点到点最常用源端串联:Rs+Rsou ≈ Z₀
  • 🕳️ stub/过孔/容性负载/感性缺口都会反射+加延迟;可加补偿电容
1. 50Ω 线末端接 75Ω,反射系数是多少?

r = (75−50)/(75+50) = 25/125 =

0.2

(20% 电压弹回)。

2. 为什么远端开路时电压会”翻倍”?

开路 r=+1,入射波与反射波同相叠加 → 电压 = 入射 + 反射 = 2×入射。

3. 源端串联电阻怎么选?

Rs + 驱动源阻抗 ≈ 特征阻抗 Z₀。如 20Ω 源 + 30Ω 串联 = 50Ω 匹配。

正文完
 0