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高速FPGA的PCB設(shè)計(jì)指導(dǎo)-----時(shí)鐘域反射計(jì)

2015-04-23

       時(shí)鐘域反射計(jì)(TDR)是用來觀察傳輸路徑上的不連續(xù)的一種方法,。它發(fā)送一個(gè)脈沖并穿過傳輸媒體。當(dāng)能量的輸送到達(dá)傳輸路徑的終點(diǎn)或傳輸路徑中的不連續(xù)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生反射。從這些反射中,設(shè)計(jì)人員可以確定不連續(xù)的大小和位置。本手冊(cè)中有許多示例都使用了TDR,,這一章就對(duì)TDR作一番了解。

       圖1為一條不與PCB相連的電纜的TDR電壓圖。中間的線條即為每米50Ω的電纜,。在點(diǎn)A發(fā)起一個(gè)脈沖(Z0=50Ω)并穿過電纜傳輸,在傳輸線的終點(diǎn)(即點(diǎn)B)終止,。因?yàn)閭鬏斁€的終點(diǎn)是斷開的,,有一個(gè)無(wú)窮大阻抗ZLOAD=α,因此負(fù)載端的反射系數(shù)由下面的等式確定:

反射系數(shù)=(ZLOAD-Z0)/(ZLOAD+Z0)

該例的反射系數(shù)=(α-50)(α+50)=1

整個(gè)信號(hào)是反射的,,點(diǎn)B處信號(hào)的振幅變?yōu)樵瓉淼膬杀?,見圖1所示。

圖片28.png

圖1 不與PCB相連的電纜的TDR電壓圖

如果相同長(zhǎng)度的電纜通過SMA連接器與PCB相連,,則電壓圖將有所變化,,見圖2所示。由于SMA連接器實(shí)際上是容性大于感性,,可以將它看作容性負(fù)載,,見TDR圖中的電壓驟降(dip),。

圖片29.png

圖2 與PCB相連的電纜的TDR電壓圖

圖3為SMA連接器放大后的曲線。由于進(jìn)行TDR分析的脈沖的上升時(shí)間非常短(大約20ps),,TDR電壓圖顯示了傳輸路徑上的所有不連續(xù),。

SMA是傳輸路徑上的一個(gè)容性不連續(xù),因此在電壓圖上信號(hào)電壓下降,。一條理想傳輸線的阻抗由下列等式定義:

Z0=圖片36.png

因此,,當(dāng)電容量增加時(shí),阻抗減小,。而如果不連續(xù)點(diǎn)呈現(xiàn)電感性,,則阻抗增加。在TDR圖中顯示為突起(bump),。你可以利用TDR圖的曲線來計(jì)算電容和電感,。如圖3所示,如果圖中顯示為電壓下降,,則可以計(jì)算電容,。

圖片30.png

圖3 PCB上SMA連接器周圍部分的TDR電壓圖

對(duì)于TDR圖中的電壓下降,其近似的等效電路為一個(gè)接地電容,,如圖4所示,。

圖片31.png

圖4 帶有容性不連續(xù)的傳輸線的等效電路

該類型電路的RC等式為:

R=Z0/2

RC=Z0C/2

兩條傳輸線可以看作是平行的。

你可以從曲線中確定電壓變化(ΔV)和上升時(shí)間(TΓ)的變化,。然后將值代入等式(Z0=50Ω):

(ΔV/250mV)=1-(TΓ/2RC)

使用這個(gè)等式來確定時(shí)間常量RC,。也可以使用曲線來估計(jì)時(shí)間常量RC。上升時(shí)間的0~63%即為RC,。一旦找出RC,,你就可以用它來確定電容(不連續(xù),與信號(hào)所看到的一樣),。

如果是電感性的不連續(xù)(即曲線上升),,則信號(hào)將經(jīng)歷類似于圖5所示的電路。傳輸線斷開,,中間有一個(gè)感性不連續(xù),。

圖片32.png

圖5 帶有感性不連續(xù)的傳輸線的等效電路

使用下列兩個(gè)等式來找出感性不連續(xù)(L):

R=2Z0

L/R=L/2Z0

使用下列等式確定電感值(Z0=50Ω):

(ΔV/250mV)=1-(TΓ×Z0/L)

圖6為PCB傳輸路徑的交叉部分,,上面顯示了多個(gè)不連續(xù),。

圖片33.png

圖6 PCB交叉部分的TDR電壓圖

如果經(jīng)歷類似于圖7的TDR,則通過對(duì)電壓下降部分進(jìn)行因子分解來計(jì)算SMA連接器引入的容性不連續(xù),。

圖片34.png

圖7 PCB部分的TDR

你可以從圖8所示的曲線中確定等式(ΔV/250mV)=1-(TΓ/2RC)的TΓ和ΔV,。

圖片35.png

圖8 SMA的TDR

在該例中,RC=(T?!?50mV)/2(250mV-ΔV)=29.9ps

根據(jù)等式:RC=Z0C/2,,如果Z0=50Ω,,則C=1.196pF。

當(dāng)利用模擬器來模擬不連續(xù)性時(shí),,可以使用這一章中的示例,。但不使用TDR來獲取不連續(xù)點(diǎn)的寄生量,而是在2D或3D電磁場(chǎng)解算器(field solvers)中模擬不連續(xù)性,。

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