Analyse der Reflexion bei digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen

Was ist „Reflexion“ bei Hochgeschwindigkeitssignalen?

Bei digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen verhält sich eine Leiterbahn nicht mehr wie ein einfacher Draht, sondern wie eine Übertragungsleitung. Abhängig von den Abschlussbedingungen kann daher ein Teil der Signalenergie zur Quelle zurücklaufen. Dieses Phänomen wird als Reflexion (reflection) bezeichnet.

Reflexion bedeutet nicht, dass „Rauschen beigemischt wurde“. Es handelt sich um ein physikalisch natürliches Phänomen, bei dem die Signalenergie aufgrund einer Impedanzfehlanpassung ihre Richtung ändert.

In diesem Artikel wird die Reflexion mit einem Minimal-Schaltkreis nachgebildet und als sichtbare „Stufe“ in der Signalform verstanden.

Die Ursache der Reflexion: Impedanzfehlanpassung

Eine Übertragungsleitung besitzt eine charakteristische Impedanz Z0. Wenn der Lastwiderstand RL am Empfangsende nicht mit Z0 übereinstimmt, wird ein Teil des ankommenden Signals nicht absorbiert und läuft zur Sendequelle zurück.

Dieses zurücklaufende Signal ist die reflektierte Welle. Größe und Polarität der Reflexion werden durch das Verhältnis zwischen Z0 und RL bestimmt.

Beobachtung nur der Reflexion mit einer Minimalbeschaltung

Um die Reflexion möglichst klar zu beobachten, wird die Last auf einen reinen Widerstand beschränkt. Durch den Verzicht auf kapazitive Elemente wie Eingangskapazitäten wird Klingeln (Ringing) durch LC-Resonanzen vermieden.

Vpulse ── Rs ──●── TL ── RL ── GND
               │
        Vsrc (Hauptmesspunkt)

In diesem Artikel ist der Hauptmesspunkt die Verbindungsstelle zwischen Rs und der Übertragungsleitung (TL), also das Sendeende. Da die reflektierte Welle zeitverzögert zurückkehrt, lässt sie sich hier besonders gut als Stufe beobachten.

Vorgehensweise in uSimmics

1. Platzieren der Bauteile

• Pulse / VPulse (Impulsspannungsquelle)
• Widerstände ×2 (Rs, RL)
• Übertragungsleitung (Koaxialleitung / RLCG Line usw.)
• GND
• Spannungstastkopf (für Vsrc)

2. Verzögerung der Übertragungsleitung

In uSimmics erfordern viele Übertragungsleitungs-Bauteile keine direkte Vorgabe der Verzögerung. Die Verzögerung wird automatisch aus der Leitungslänge L und der relativen Permittivität er berechnet.

Die Laufzeitverzögerung Td ergibt sich aus folgender Beziehung:

Für ein FR-4-ähnliches Material (er ≈ 4) beträgt die Verzögerung etwa 6,7 ns pro Meter. In diesem Artikel wird die Leitungslänge so gewählt, dass eine Verzögerung von etwa 10 ns entsteht, um die Reflexion gut sichtbar zu machen.

3. Beispiel für Parametereinstellungen

Warum sich Reflexionen am Sendeende leichter beobachten lassen

Reflexionen entstehen am Lastende, sind dort jedoch nicht immer klar als „Stufe“ erkennbar.

Am Sendeende erscheint zunächst die einlaufende Welle. Danach kehrt die an der Last erzeugte reflektierte Welle mit einer zeitlichen Verzögerung zurück. Durch diesen Zeitunterschied ändert sich die Spannung nach der ersten Flanke erneut, wodurch die Reflexion deutlich als Stufe sichtbar wird.

Am Lastende hingegen läuft die reflektierte Welle sofort in entgegengesetzter Richtung entlang der Übertragungsleitung zurück und verbleibt nicht an diesem Punkt. Daher ist sie dort je nach Bedingungen schwer als Stufe zu erkennen.

Überprüfung anhand der Signalform: Änderung der Stufe bei Variation von RL

Beobachten Sie Vout und ändern Sie nur RL. Die Reflexion zeigt sich als zeitverzögerte Änderung der Signalform, also als Stufe.

Fall 1: RL = 50 Ω (Anpassung)

Da RL mit Z0 (50 Ω) übereinstimmt, tritt nahezu keine Reflexion auf. Vout steigt sauber an.

Fall 2: RL = 100 Ω (Fehlanpassung: größere Last)

Es tritt eine Reflexion auf, und nach der ansteigenden Flanke erscheint eine zusätzliche Stufe. Im Vergleich zum angepassten Fall erhöht sich die Spannung nach einer Verzögerung leicht.

Fall 3: RL = 1 kΩ (nahezu offen)

Je näher die Last einem offenen Stromkreis kommt, desto stärker ist die Reflexion. Die Stufe in Vout ist deutlich sichtbar. Dieser Fall eignet sich besonders gut, um Reflexionen erstmals zu erleben.

Fall 4: RL = 25 Ω (Fehlanpassung: kleinere Last)

In diesem Fall kehrt sich die Richtung der Stufe um. Reflexionen „springen“ also nicht immer nach oben; ihre Polarität hängt von der Abschlussbedingung ab. Die Reflexion erscheint als zeitverzögerte Stufe, deren Größe und Richtung durch die Lastimpedanz bestimmt werden.

Wann Reflexionen zum Problem werden

Reflexionen werden nicht deshalb problematisch, weil die Frequenz hoch ist, sondern weil die Anstiegszeit sehr kurz ist. Mit zunehmender Geschwindigkeit moderner ICs lassen sich Reflexionen selbst auf unveränderten Leiterbahnen nicht mehr ignorieren.

Phänomene wie „früher funktionierte es, heute ist es instabil“ sind häufig auf verkürzte Anstiegszeiten zurückzuführen.

Zusammenfassung: Reflexionen erscheinen als Stufen am Sendeende

• Reflexionen entstehen durch Impedanzfehlanpassung am Lastende
• Am Sendeende (Verbindung von Rs und TL) lassen sich Stufen am besten beobachten
• Die Verzögerung wird durch er und Leitungslänge bestimmt und steuert die Rücklaufzeit der Reflexion
• Ein minimaler Schaltkreis mit rein ohmscher Last ist der schnellste Weg, Reflexionen zu verstehen

Anstatt sich nur darauf zu konzentrieren, „wo die Reflexion entsteht“,
sollte man überlegen, wo sie beobachtet werden kann.
So lässt sich die physikalische Bedeutung der Signalform korrekt interpretieren.