完整資料:PCB設(shè)計(jì)之信號(hào)完整性，從走線、信號(hào)反射到特性阻抗

信號(hào)完整性(一)：PCB走線中途容性負(fù)載反射

很多時(shí)候，PCB走線中途會(huì)經(jīng)過過孔、測(cè)試點(diǎn)焊盤、短的stub線等，都存在寄生電容，必然對(duì)信號(hào)造成影響。走線中途的電容對(duì)信號(hào)的影響要從發(fā)射端和接受端兩個(gè)方面分析，對(duì)起點(diǎn)和終點(diǎn)都有影響。

首先按看一下對(duì)信號(hào)發(fā)射端的影響。當(dāng)一個(gè)快速上升的階躍信號(hào)到達(dá)電容時(shí)，電容快速充電，充電電流和信號(hào)電壓上升快慢有關(guān)，充電電流公式為：I=C*dV/dt。電容量越大，充電電流越大，信號(hào)上升時(shí)間越快，dt越小，同樣使充電電流越大。

我們知道，信號(hào)的反射與信號(hào)感受到的阻抗變化有關(guān)，因此為了分析，我們看一下，電容引起的阻抗變化。在電容開始充電的初期，阻抗表示為：

這里dV實(shí)際上是階躍信號(hào)電壓變化，dt為信號(hào)上升時(shí)間，電容阻抗公式變?yōu)椋?/p>

從這個(gè)公式中，我們可以得到一個(gè)很重要的信息，當(dāng)階躍信號(hào)施加到電容兩端的初期，電容的阻抗與信號(hào)上升時(shí)間和本身的電容量有關(guān)。

通常在電容充電初期，阻抗很小，小于走線的特性阻抗。信號(hào)在電容處發(fā)生負(fù)反射，這個(gè)負(fù)電壓信號(hào)和原信號(hào)疊加，使得發(fā)射端的信號(hào)產(chǎn)生下沖，引起發(fā)射端信號(hào)的非單調(diào)性。

對(duì)于接收端，信號(hào)到達(dá)接收端后，發(fā)生正反射，反射回來的信號(hào)到達(dá)電容位置，那個(gè)樣發(fā)生負(fù)反射，反射回接收端的負(fù)反射電壓同樣使接收端信號(hào)產(chǎn)生下沖。

為了使反射噪聲小于電壓擺幅的5%（這種情況對(duì)信號(hào)影響可以容忍），阻抗變化必須小于10%。那么電容阻抗應(yīng)該控制在多少？電容的阻抗表現(xiàn)為一個(gè)并聯(lián)阻抗，我們可以用并聯(lián)阻抗公式和反射系數(shù)公式來確定它的范圍。對(duì)于這種并聯(lián)阻抗，我們希望電容阻抗越大越好。假設(shè)電容阻抗是PCB走線特性阻抗的k倍，根據(jù)并聯(lián)阻抗公式得到電容處信號(hào)感受到的阻抗為：阻抗變化率為：，即，也就是說，根據(jù)這種理想的計(jì)算，電容的阻抗至少要是PCB特性阻抗的9倍以上。實(shí)際上，隨著電容的充電，電容的阻抗不斷增加，并不是一直保持最低阻抗，另外，每一個(gè)器件還會(huì)有寄生電感，使阻抗增加。因此這個(gè)9倍限制可以放寬。在下邊的討論中假設(shè)這個(gè)限制是5倍。

有了阻抗的指標(biāo)，我們就可以確定能容忍多大的電容量。電路板上50歐姆特性阻抗很常見，我就用50歐姆來計(jì)算。
得出：

即在這種情況下，如果信號(hào)上升時(shí)間為1ns，那么電容量要小于4皮法。反之，如果電容量為4皮法，則信號(hào)上升時(shí)間最快為1ns，如果信號(hào)上升時(shí)間為0.5ns，這個(gè)4皮法的電容就會(huì)產(chǎn)生問題。

這里的計(jì)算只不過是為了說明電容的影響，實(shí)際電路中情況十分復(fù)雜，需要考慮的因素更多，因此這里計(jì)算是否精確沒有實(shí)際意義。關(guān)鍵是要通過這種計(jì)算理解電容是如何影響信號(hào)的。我們對(duì)電路板上每一個(gè)因素的影響都有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)后，就能為設(shè)計(jì)提供必要的指導(dǎo)，出現(xiàn)問題就知道如何去分析。精確的評(píng)估需要用軟件來仿真。

總結(jié)：

1、PCB走線中途容性負(fù)載使發(fā)射端信號(hào)產(chǎn)生下沖，接收端信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生下沖。

2、能容忍的電容量和信號(hào)上升時(shí)間有關(guān)，信號(hào)上升時(shí)間越快，能容忍的電容量越小。

信號(hào)完整性(二)：接收端容性負(fù)載的反射

信號(hào)的接收端可能是集成芯片的一個(gè)引腳，也可能是其他元器件。不論接收端是什么，實(shí)際的器件的輸入端必然存在寄生電容，接受信號(hào)的芯片引腳和相鄰引腳之間有一定的寄生電容，和引腳相連的芯片內(nèi)部的布線也會(huì)存在寄生電容，另外引腳和信號(hào)返回路徑之間也會(huì)存在寄生電容。

好復(fù)雜，這么多寄生電容！其實(shí)很簡(jiǎn)單，想想電容是什么？?jī)蓚€(gè)金屬板，中間是某種絕緣介質(zhì)。這個(gè)定義中并沒有說兩個(gè)金屬板是什么形狀的，芯片兩個(gè)相鄰引腳也可以看做是電容的兩個(gè)金屬板，中間介質(zhì)是空氣，不就是一個(gè)電容么。芯片引腳和PCB板內(nèi)層的電源或地平面也是一對(duì)金屬板，中間介質(zhì)是PCB板的板材，常見的是FR4材料，也是一個(gè)電容。呵呵，搞來搞去，還是回到了最基礎(chǔ)的部分。高手不要笑，太簡(jiǎn)單了。不過確實(shí)很多人看到寄生電容就感到有點(diǎn)暈，理解不透，所以在這里啰嗦一下。

回到正題，下面研究一下信號(hào)終端的電容有什么影響。將模型簡(jiǎn)化，用一個(gè)分立電容元件代替所有寄生電容，如圖1所示。

我們考察B點(diǎn)電容的阻抗情況。電容的電流為：

隨著電容的充電，電壓變化率逐漸減?。?a href="http://ttokpm.com/v/tag/221/" target="_blank">電路原理中的瞬態(tài)過程），電容的充電電流也不斷減小。即電容的充電電流是隨時(shí)間變化的。

電容的阻抗為：

因此電容所表現(xiàn)出來的阻抗隨時(shí)間變化，不是恒定的。正是這種阻抗的變化特性決定了電容對(duì)信號(hào)影響的特殊性。如果信號(hào)上升時(shí)間小于電容的充電時(shí)間，最初電容兩端的電壓迅速上升，這時(shí)阻抗很小。隨著電容充電，電壓變化率下降，充電電流減小，表現(xiàn)為阻抗明顯增大。充電時(shí)間無窮大時(shí)，電容相當(dāng)于開路，阻抗無窮大。

阻抗的變化必然影響信號(hào)的反射。在充電的開始一段時(shí)間，阻抗很小，小于傳輸線的特性阻抗，將發(fā)生負(fù)反射，反射回源端A點(diǎn)的信號(hào)將產(chǎn)生下沖。隨著電容阻抗的增加，反射逐漸過渡到正反射，A點(diǎn)的信號(hào)經(jīng)過一個(gè)下沖會(huì)逐漸升高，最終達(dá)到開路電壓。