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信号完整性之反射相关知识的讲解(下)

  01
  端接方式
  (1)串联端接:通常添加在源端,应使端接电阻与芯片输出内阻之和等于传输线的阻抗。
  a、芯片输出引脚到串联端接电阻的距离应尽可能短,尽量控制在不考虑传输线效应的长度范围内。
  b、串联端接不适用于双向传输的信号,且如果高电平和低电平的输出内阻不同时,不能完全消除反射。
  c、这种线上电压是驱动电压的一半,因此不适合用于菊花链形式的多负载拓扑。
  d、串联端接相当于增加了输出端的RC时间常数,会使信号上升沿变缓,因此不适用于较高速的信号。
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  图1、2 ADS仿真:串联端接
  (2)并联端接:添加在末端,端接的阻抗值应与传输线阻抗相等。
  a、并联端接到电源,会抬高低电平。端接到地,会拉低高电平;
  b、同样会使信号边沿变缓慢;
  c、会增加直流功耗,且需要驱动端有足够的驱动能力。
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  图3、4 ADS仿真:并联端接
  (3)RC端接:在并联端接的基础上串联一颗电容,端接电容由信号的频率决定,电容过小,会造成严重的信号问题。
  a、端接电容选择大电容有利于信号,但选择的时候应该注意电容的谐振点,大电容谐振点低,容易工作在谐振频率外,呈现感性。会造成高频分量衰减过大。
  b、AC端接适合周期性信号,不适合非周期性信号。
  c、会导致容性负载增加,RC延时增加。
  d、相对于并联端接,有助于减小直流功耗。
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  图5、6 ADS仿真:RC端接
  (4)戴维南端接:通过两个电阻来吸收反射,可以获得最快的电路性能,适用于高速信号。
  a、配置电阻计算公式:Z0=(R1*R2)/(R1+R2)
  b、通过改变R1和R2的值可以使电压上偏或者下偏。
  c、因为有上下拉,会导致高电平偏低,低电平偏高(相比并联端接更加均衡一些)。
  d、选取的阻值不匹配,可能会加重反射带来的影响。
  e、高低电平下都有电流,增加了直流功耗。
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  图7、8 ADS仿真:戴维南端接
  (5)DDR3的ODT(On-die Termination)采用的是戴维南端接方式,这样能保证信号的高低电平更加均衡,噪声容限更好一些。但戴维南端接的功耗更大,因此在DDR4以后采用了POD端接,也就是并联端接,这样当信号为高电平时就不会产生直流功耗。
  a、DBI(Data Bus Inversion):信号每8bit存在4bit以上0时,就会对信号电平进行反向,减小0电平带来的功耗。
  b、VrefDQ Training:动态调整Vref,保证信号处于最佳眼宽状态,提高系统数据总线的信噪等级。
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  图9 端接在DDR设计中的应用
  02
  拓扑结构
  常用拓扑方式:点对点、菊花链(fly-by)、树形(T)、星形、远端簇。
  (1)点对点拓扑:信号由驱动端经过传输线,直接到达接收端。
  a、手机中基本上都是点对点拓扑结构,方便控制走线延时、阻抗。
  (2)菊花链拓扑:多负载拓扑结构,按照先后顺序依次连到每个负载端。
  a、适用于低速信号,对于高速信号会产生严重反射;
  b、Fly-By(DDR走线【DDR一般会有时序补偿】)是一种短分支的菊花链,分支越短对信号越有利。
  c、第一个分支的信号最差,最后一个分支信号最好。优化第一个分支满足要求,则整个链路都没什么问题。
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  图10 菊花链拓扑示意图
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  图11、12 ADS仿真:菊花链拓扑
  (3)树形拓扑(分支=2):适用于各个分支负载等长的情况,需要驱动端有足够的驱动能力。
  a、常用的T拓扑,也叫等臂分支,分支应尽可能短。
  b、T拓扑本身存在大量的阻抗不连续,如果分支长度完全相等,则两边的反射大小相等方向相反,可以彼此抵消部分反射。
  c、应该使主干道的区域尽可能长,分支区域的尽可能短。
  d、使用T拓扑应使两边尽可能完全对称,对称包含等长和端接等等。
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  图13 T拓扑示意图
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  图14、15 ADS仿真:T拓扑
  (4)星形拓扑和远端簇(分支》2):星形拓扑在源端分开,远端簇在末端分开。考虑多负载的情况,优先使用远端簇。
  a、星形适用于低速且单向传播的信号,如时钟等。使用该拓扑时主干走线越短越好,主干走线变短之后,后端走线则接近于点对点传输。
  b、远端簇要求末端越短越好。
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  图16、17 ADS仿真:星形+远端簇
  03
  容性负载与补偿
  (1)容性负载:
  a、分支、负载、过孔等都会产生容性负载;
  b、寄生电容:通常封装0.3~0.4pF,过孔0.6~0.8pF,Die 1~3pF
  c、当线路中存在电容时,信号在到达的瞬间,电容阻抗为0;随着电容充电,阻抗逐渐升高,变为开路。
  d、电容存在于末端会导致信号上升沿变缓。当电容足够大时,会导致波形幅度达不到预期。
  e、电容存在于线路中间不但会导致上升沿变缓,还会产生强烈的反射。
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  图18、19 ADS仿真:容性负载仿真
  (2)容性负载补偿:
  a、对于多负载拓扑(如多片DDR),每一负载都会引入容性负载,造成反射会让阻抗偏低,由于负载彼此靠近,被拉低的阻抗来不及恢复又会被下一个容性负载拉低,因此造成整个区域内的阻抗偏低。
  b、这时需要容性负载补偿来补偿这部分的阻抗,避免阻抗不连续。补偿方式为主通道阻抗降低,容性负载区域阻抗增加(具体阻抗可以根据走线长度再去仿真)。以平衡容性区域和主干道区域的阻抗平衡。
  c、对于》=4片DDR,可以考虑容性负载补偿。
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  图20、21 ADS仿真:容性负载补偿
  04
  桩线和分支
  (1)Stub指走线中多余的线头,常见于过孔残桩、未连接走线。
  (2)当信号抵达分支时,感受到的阻抗是分支和传输线并联的阻抗,因此会形成反射。同时分支会引入容性负载,导致tr变缓。分支越长、对信号影响越严重。
  (3)常用分支优化手段:HID、背钻、删除多余盘、两次过孔。
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  图22、23 ADS仿真:分支对信号质量的影响



原作者:奔跑的蜗牛 工程师说硬件

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