傳輸線(xiàn)的反射干擾解析

一.引言

　　在微機系統中，接口與其它設備之間的連接要通過(guò)一定長(cháng)度的電纜來(lái)實(shí)現，在計算機內部，印制電路板之間需要通過(guò)焊接線(xiàn)來(lái)連接。在一些其它的脈沖數字電路中也存在這類(lèi)事的問(wèn)題。脈沖信號包含著(zhù)很多的高頻成分，即使脈沖信號本身的重復頻率并不十分高，但如果前沿陡峭，在經(jīng)過(guò)傳輸通道時(shí)，將可能發(fā)生信號的畸變，嚴重時(shí)將形成振蕩，破壞信號的正常傳輸和電路的正常工作。脈沖信號的頻率越高，傳輸線(xiàn)的長(cháng)度越長(cháng)，即便問(wèn)題越嚴重。

　　二.傳輸線(xiàn)的反射干擾及其造成的危害

　　任何信號的傳輸線(xiàn)，對一定頻率的信號來(lái)說(shuō)，都存在著(zhù)一定的非純電阻性的波阻抗，其數值與集成電路的輸出阻抗和輸入阻抗的數值各不相同，在他們相互連接時(shí)，勢必存在著(zhù)一些阻抗的不連續點(diǎn)。當信號通過(guò)這些不連續點(diǎn)時(shí)便發(fā)生“反射”現象，造成波形畸變，產(chǎn)生反射噪聲。另外，較長(cháng)的傳輸線(xiàn)必然存在著(zhù)較大的分布電容和雜散電感，信號傳輸時(shí)將有一個(gè)延遲，信號頻率越高，延遲越明顯，造成的反射越嚴重，信號波形產(chǎn)生的畸變也就越厲害。這就是所謂的“長(cháng)線(xiàn)傳輸的反射干擾”。對于TTL器件來(lái)說(shuō)，“過(guò)沖”超過(guò)6V時(shí)，對器件輸入端的P-N結就有造成損壞的可能。同時(shí)從+3V～-6V的大幅度下降，將會(huì )對鄰近的平行信號產(chǎn)生嚴重的串擾，且臺階將造成不必要的延時(shí)，給工作電路造成不良的后果。一旦形成震蕩，危害就更嚴重，這種振蕩信號將在信號的始端和終端同時(shí)直接構成信號噪聲，從而形成有效的干擾。

　　三.信號傳輸線(xiàn)的主要特性及阻抗匹配

　　1.信號傳輸線(xiàn)的特征阻抗

　　對于計算機及數字系統來(lái)說(shuō)，經(jīng)常使用的信號傳輸線(xiàn)主要有單線(xiàn)(含接連線(xiàn)和印制線(xiàn)等)、雙絞線(xiàn)、帶狀平行電纜、同軸電纜和雙絞屏蔽電纜等。傳輸線(xiàn)的特性參數很多，與傳輸線(xiàn)的反射干擾有關(guān)的參數主要有延遲時(shí)間和波阻抗。一般說(shuō)來(lái)，反顯得信號延遲時(shí)間最短，同軸電纜較長(cháng)，雙絞線(xiàn)居中，約為6ns/m。波阻抗為單線(xiàn)最高，約為數百歐，雙絞線(xiàn)的波阻抗，雙絞線(xiàn)的波阻抗一般在100Ω-200Ω之間，且絞花越短，波阻抗越低。從抗干擾的角度講，同軸電纜最好，雙絞線(xiàn)次之，而帶狀電纜和單線(xiàn)最差。

　　2.阻抗的匹配

　　當傳輸線(xiàn)終端不匹配時(shí)，信號被反射，反射波達到始端時(shí)，如始端不匹配，同樣產(chǎn)生反射，這就發(fā)生了信號在傳輸線(xiàn)上多次往返反射的情況，產(chǎn)生嚴重的反射干擾。因此要盡可能做到始端和終端的阻抗匹配，是抑制反射干擾的有效途徑。為此，確定“長(cháng)線(xiàn)”的最佳長(cháng)度是至關(guān)重要的。

　　在實(shí)際實(shí)踐中，一般以公式的經(jīng)驗來(lái)決定實(shí)際電路信號傳輸線(xiàn)的最大允許不匹配長(cháng)度(也即“長(cháng)線(xiàn)”界限)。其中，為電路轉換邊沿的平均寬度，對于常用的中速TTL電路，取15ns，為傳輸線(xiàn)的延遲時(shí)間?？梢杂嬎愠?，其最大允許匹配長(cháng)度分別為1m，0.6m和0.4m，否則應考慮阻抗匹配。對于高速運行的ECL器件，由于其傳輸時(shí)間只有4ns-5ns，故傳輸長(cháng)度一般超過(guò)20cm時(shí)，就應考慮匹配問(wèn)題。

　　阻抗匹配的方法可以分為始端阻抗匹配和終端阻抗匹配。

　　始端阻抗匹配的方法是在電路的輸出端，即傳輸線(xiàn)的輸入端串接一個(gè)電阻R，使電路的輸出電阻(對TTL而言分別為14R和135R)與所用傳輸線(xiàn)的波阻抗(如雙絞線(xiàn)典型波阻抗為130R)相近似，如圖3所示。這種方法簡(jiǎn)單易行，波形畸變也較小。但由于電流流經(jīng)，使在線(xiàn)低壓電平上升，從而降低信號低電平的噪聲容限。一般規定低電平的升高要小于0.2V,為此應考慮減少負載們的個(gè)數來(lái)減小電阻R上的電壓降。

　　無(wú)源終端匹配可以在接收端的邏輯門(mén)的輸入端，即傳輸線(xiàn)的終端并聯(lián)一個(gè)電阻，其阻值應近似等于傳輸線(xiàn)的波阻抗，如圖4所示。這種方法一般僅限于發(fā)送端采用功率驅動(dòng)門(mén)的場(chǎng)合，如用普通邏輯門(mén)輸出時(shí)，并聯(lián)這樣小的電阻負載，會(huì )使其輸出高電平下降，從而一般各項電路的高電平噪聲容限。

　　有源終端并聯(lián)匹配，如圖5，可以克服無(wú)源終端并聯(lián)匹配時(shí)所造成的高電平噪聲容限下降。在圖中交流狀態(tài)下，電源可視為短路，與的并聯(lián)值等于傳輸阻抗的波阻抗。

4 振鈴現象的產(chǎn)生及抑制

　　由于任何傳輸線(xiàn)都不可避免地存在著(zhù)引線(xiàn)電阻、引線(xiàn)電感和雜散電容，因此，一個(gè)標準的脈沖信號在經(jīng)過(guò)較長(cháng)的傳輸線(xiàn)后，極易產(chǎn)生上沖和振鈴現象。大量的實(shí)驗表明，陰線(xiàn)電阻可使脈沖的平均振幅減小;而雜散電容和引線(xiàn)電感的存在，則是產(chǎn)生上沖和振鈴的根本原因。在脈沖前沿上升時(shí)間相同的條件下，陰線(xiàn)電感越大，上沖及振鈴現象就越嚴重;雜散電容越大，則是波形的上升時(shí)間越長(cháng);而引線(xiàn)電阻的增加，將使脈沖振幅減小。

　　在實(shí)際電路中，采用下列幾種方法來(lái)來(lái)減小和抑制上沖及振鈴。

　　(1)串聯(lián)電阻。利用具有較大電阻的傳輸線(xiàn)或是人為地串入適當的阻尼電阻，可以減小脈沖的振幅，從而達到減小上沖和振鈴程度的目的。但當傳入電阻的數值過(guò)大時(shí)，不禁脈沖幅度減小過(guò)多，而且使脈沖的前沿產(chǎn)生延遲。因此，串入的阻尼電阻值應適當，并且應選用無(wú)感電阻，電阻的連接為值應靠近接收端。

　　(2)減小引線(xiàn)電感。設法減小線(xiàn)路及傳輸線(xiàn)的引線(xiàn)電感是最基本的方法，總的原則是：盡量縮短引線(xiàn)長(cháng)度;加醋到線(xiàn)和印制銅箔的寬度;減小信號的傳輸距離，采用引線(xiàn)電感小的元器件等，尤其是傳輸前沿很陡的脈沖信號時(shí)更應注意這些問(wèn)題。

　　(3)由于負載電路的等效電感和等效電容同樣可以影響發(fā)送端，使之脈沖波形產(chǎn)生上沖和振鈴，因此，應盡量減小負載電路的等效電感和電容。尤其是負載電路的接地線(xiàn)過(guò)長(cháng)時(shí)，形成的地線(xiàn)電感和雜散電容相當可觀(guān)，其影響不容忽視。

　　(4)邏輯數字電路中的信號線(xiàn)可增加上拉電阻和交流終端負載，如圖6所示。上拉電阻(可取)的接入，可將信號的邏輯高電平上拉到5V。交流終端負載電路的接入不影響支流驅動(dòng)能力，也不會(huì )增加信號線(xiàn)的負載，而高頻振鈴現象卻可得到有效的抑制。

　　上述振鈴除了與電路條件有關(guān)外，還與脈沖前沿的上升時(shí)間密切相關(guān)。即使電路條件相同，當脈沖前沿上升時(shí)間很短時(shí)，上沖的峰值將大大增加。一般對于前沿上升時(shí)間在1以下的脈沖，均考慮產(chǎn)生上沖及振鈴的可能。因此，在脈沖信號頻率的選擇問(wèn)題上，應考慮在滿(mǎn)足系統速度要求的前提下，能選用較低頻率的信號絕不選用高頻信號;如無(wú)必要，也不應過(guò)分要求脈沖的前沿非常陡峭。這對從根本上消除上沖和振鈴視聽(tīng)有利的。

　　五.結束語(yǔ)

　　理想的匹配狀態(tài)實(shí)際上是不存在的，而且邏輯電路的輸入和輸出阻抗都具有非線(xiàn)性，且傳輸線(xiàn)的引線(xiàn)電感和線(xiàn)路的雜散電容的存在也是不可避免的。因此，即使是最好的匹配，也只能是在不同程度上對反射干擾進(jìn)行了抑制，使其不致影響系統的正常工作。因而在實(shí)際電路中盡量縮短傳輸線(xiàn)的長(cháng)度，則是至關(guān)重要和最根本的方法。