Análise da reflexão em sinais digitais de alta velocidade

O que é “reflexão” em sinais de alta velocidade?

Em sinais digitais de alta velocidade, uma trilha não se comporta como um simples fio condutor, mas como uma linha de transmissão. Como resultado, dependendo das condições de terminação, parte da energia do sinal pode retornar à fonte. Esse fenômeno é chamado de reflexão (reflection).

A reflexão não significa que “ruído foi misturado” ao sinal. Trata-se de um fenômeno fisicamente natural no qual a energia do sinal muda de direção devido a um desajuste de impedância.

Neste artigo, a reflexão é reproduzida usando um circuito mínimo e interpretada como um “degrau” visível na forma de onda.

A origem da reflexão: desajuste de impedância

Uma linha de transmissão possui uma impedância característica Z0. Quando a resistência de carga RL na extremidade receptora não coincide com Z0, parte do sinal que chega não é absorvida e retorna em direção ao transmissor.

Esse sinal de retorno é a onda refletida. A magnitude e a polaridade da reflexão são determinadas pela relação entre Z0 e RL.

Observando apenas a reflexão com um circuito mínimo

Para observar a reflexão de forma clara, a carga é mantida como uma resistência pura. Ao não incluir componentes capacitivos, como capacitância de entrada, evitamos o ringing causado por ressonância LC.

Vpulse ── Rs ──●── TL ── RL ── GND
               │
        Vsrc (ponto principal de observação)

Neste artigo, o ponto principal de observação é a junção entre Rs e a linha de transmissão (TL), ou seja, a extremidade transmissora. Como a onda refletida retorna com atraso, ela pode ser observada claramente como um degrau nesse ponto.

Procedimento no uSimmics

1. Posicionar os componentes

• Pulse / VPulse (fonte de tensão pulsada)
• Resistores ×2 (Rs, RL)
• Linha de transmissão (linha coaxial / RLCG Line, etc.)
• GND
• Sonda de tensão (para Vsrc)

2. Atraso da linha de transmissão

No uSimmics, muitos componentes de linha de transmissão não exigem que o atraso seja especificado diretamente. O atraso é calculado automaticamente a partir do comprimento da linha L e da permissividade relativa er.

O atraso de propagação Td é determinado pela seguinte relação:

Para um material equivalente ao FR-4 (er ≈ 4), o atraso é de aproximadamente 6,7 ns por metro. Neste artigo, o comprimento da linha é ajustado para obter um atraso de cerca de 10 ns, facilitando a observação da reflexão.

3. Exemplo de configuração de parâmetros

Por que a reflexão é mais fácil de observar na extremidade transmissora

A reflexão é gerada na extremidade da carga, mas nem sempre pode ser observada ali claramente como um “degrau”.

Na extremidade transmissora, a tensão da onda incidente aparece primeiro. Em seguida, a onda refletida gerada na carga retorna após um atraso. Essa diferença de tempo faz com que a tensão mude novamente após a transição inicial, tornando a reflexão claramente visível como um degrau.

Na extremidade da carga, embora a reflexão ocorra, a onda refletida se propaga imediatamente na direção oposta ao longo da linha de transmissão e não permanece nesse ponto. Por isso, dependendo das condições, pode ser difícil observá-la como um degrau.

Verificação por formas de onda: como o degrau muda ao variar RL

Observe Vout alterando apenas RL. A reflexão aparece como uma mudança atrasada na forma de onda, ou seja, um degrau.

Caso 1: RL = 50 Ω (casamento)

Como RL coincide com Z0 (50 Ω), praticamente não há reflexão. Vout sobe de forma limpa.

Caso 2: RL = 100 Ω (desajuste: carga maior)

Ocorre reflexão e um degrau aparece após a subida inicial. Em comparação com o caso casado, a tensão aumenta ligeiramente após um atraso.

Caso 3: RL = 1 kΩ (quase circuito aberto)

Quanto mais próxima de circuito aberto for a carga, mais forte será a reflexão. O degrau em Vout torna-se muito evidente. Este é o caso mais fácil para sentir a reflexão pela primeira vez.

Caso 4: RL = 25 Ω (desajuste: carga menor)

Neste caso, a direção do degrau se inverte. Ou seja, a reflexão nem sempre “salta para cima”; sua polaridade depende da condição de terminação. A reflexão é observada como um degrau atrasado, e sua magnitude e direção são determinadas pela impedância de carga.

Quando a reflexão se torna um problema

A reflexão se torna um problema não porque a frequência é alta, mas porque o tempo de subida é curto. À medida que os ICs se tornam mais rápidos, a reflexão não pode mais ser ignorada, mesmo nas mesmas trilhas.

Situações como “antes funcionava, mas agora está instável” geralmente são causadas pela redução do tempo de subida.

Resumo: a reflexão aparece como um degrau na extremidade transmissora

• A reflexão é causada por desajuste de impedância na extremidade da carga
• A extremidade transmissora (junção de Rs e TL) é onde o degrau é mais fácil de observar
• O atraso depende de er e do comprimento da linha, determinando o tempo de retorno da reflexão
• Começar com um circuito mínimo apenas com resistores é a forma mais rápida de entender a reflexão

Em vez de focar apenas em “onde a reflexão ocorre”,
é importante considerar onde ela pode ser observada.
Isso permite interpretar corretamente o significado físico das formas de onda.