信號振鈴是怎么產(chǎn)生的 會(huì)造成什么后果

01

信號振鈴怎么產(chǎn)生的？

信號的反射可能會(huì)引起振鈴現(xiàn)象，一個(gè)典型的信號振鈴如下圖所示。

那么信號振鈴是怎么產(chǎn)生的呢？

前面講過，如果信號傳輸過程中感受到阻抗的變化，就會(huì)發(fā)生信號的反射。這個(gè)信號可能是驅(qū)動(dòng)端發(fā)出的信號，也可能是遠(yuǎn)端反射回來的反射信號。根據(jù)反射系數(shù)的公式，當(dāng)信號感受到阻抗變小，就會(huì)發(fā)生負(fù)反射，反射的負(fù)電壓會(huì)使信號產(chǎn)生下沖。

信號在驅(qū)動(dòng)端和遠(yuǎn)端負(fù)載之間多次反射，其結(jié)果就是信號振鈴。大多數(shù)芯片的輸出阻抗都很低，如果輸出阻抗小于PCB走線的特性阻抗，那么在沒有源端端接的情況下，必然產(chǎn)生信號振鈴。

信號振鈴的過程可以用反彈圖來直觀的解釋。假設(shè)驅(qū)動(dòng)端的輸出阻抗是10歐姆，PCB走線的特性阻抗為50歐姆（可以通過改變PCB走線寬度，PCB走線和內(nèi)層參考平面間介質(zhì)厚度來調(diào)整），為了分析方便，假設(shè)遠(yuǎn)端開路，即遠(yuǎn)端阻抗無窮大。驅(qū)動(dòng)端傳輸3.3V電壓信號。我們跟著信號在這條傳輸線中跑一個(gè)，看看到底發(fā)生了什么？為分析方便，忽略傳輸線寄生電容和寄生電感的影響，只考慮阻性負(fù)載。（如下圖為反射示意圖）

第1次反射：信號從芯片內(nèi)部發(fā)出，經(jīng)過10歐姆輸出阻抗和50歐姆PCB特性阻抗的分壓，實(shí)際加到PCB走線上的信號為A點(diǎn)電壓3.3*50/（10 50）=2.75V。傳輸?shù)竭h(yuǎn)端B點(diǎn)，由于B點(diǎn)開路，阻抗無窮大，反射系數(shù)為1，即信號全部反射，反射信號也是2.75V。此時(shí)B點(diǎn)測量電壓是2.75 2.75=5.5V。

第2次反射：2.75V反射電壓回到A點(diǎn)，阻抗由50歐姆變?yōu)?0歐姆，發(fā)生負(fù)反射，A點(diǎn)反射電壓為-1.83V，該電壓到達(dá)B點(diǎn)，再次發(fā)生反射，反射電壓-1.83V。此時(shí)B點(diǎn)測量電壓為5.5-1.83-1.83=1.84V。

第3次反射：從B點(diǎn)反射回的-1.83V電壓到達(dá)A點(diǎn)，再次發(fā)生負(fù)反射，反射電壓為1.22V。該電壓到達(dá)B點(diǎn)再次發(fā)生正反射，反射電壓1.22V。此時(shí)B點(diǎn)測量電壓為1.84 1.22 1.22=4.28V。

第4次反射：。。。。。。。。。

第5次反射：。。。。。。。。。

如此循環(huán)，反射電壓在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間來回反彈，而引起B(yǎng)點(diǎn)電壓不穩(wěn)定。觀察B點(diǎn)電壓：5.5V-》1.84V-》4.28V-》……，可見B點(diǎn)電壓會(huì)有上下波動(dòng)，這就是信號振鈴。

信號振鈴根本原因是負(fù)反射引起的，其罪魁禍?zhǔn)兹匀皇亲杩棺兓质亲杩?！在研究信號完整性問題時(shí)，一定時(shí)時(shí)注意阻抗問題。

負(fù)載端信號振鈴會(huì)嚴(yán)重干擾信號的接受，產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤，必須減小或消除，因此對于長的傳輸線必須進(jìn)行阻抗匹配端接。

02

信號反射

信號沿傳輸線向前傳播時(shí)，每時(shí)每刻都會(huì)感受到一個(gè)瞬態(tài)阻抗，這個(gè)阻抗可能是傳輸線本身的，也可能是中途或末端其它元件的。對于信號來說，它不會(huì)區(qū)分到底是什么，信號所感受到的只有阻抗。如果信號感受到的阻抗是恒定的，那么它就會(huì)正常向前傳播，只要感受到的阻抗發(fā)生變化，不論是什么引起的（可能是中途遇到的電阻，電容，電感，過孔，PCB轉(zhuǎn)角和接插件），信號都會(huì)發(fā)生反射。

那么有多少被反射回傳輸線的起點(diǎn)？

衡量信號反射量的重要指標(biāo)是反射系數(shù)，表示反射電壓和原傳輸信號電壓的比值。反射系數(shù)定義為：

其中：Z1為變化前的阻抗，Z2為變化后的阻抗。假設(shè)PCB線條的特性阻抗為50歐姆，傳輸過程中遇到一個(gè)100歐姆的貼片電阻，暫時(shí)不考慮寄生電容電感的影響，把電阻看成理想的純電阻，那么反射系數(shù)為：

信號有1/3被反射回源端。如果傳輸信號的電壓是3.3V電壓，反射電壓就是1.1V。

純電阻性負(fù)載的反射是研究反射現(xiàn)象的基礎(chǔ)，阻性負(fù)載的變化無非是以下四種情況：阻抗增加有限值、減小有限值、開路（阻抗變?yōu)闊o窮大）、短路（阻抗突然變?yōu)?）。

2.1 阻抗增加有限值：

反射電壓上面的例子已經(jīng)計(jì)算過了。這時(shí)，信號反射點(diǎn)處就會(huì)有兩個(gè)電壓成分，一部分是從源端傳來的3.3V電壓，另一部分是反射電壓1.1V，那么反射點(diǎn)處的電壓為二者之和，即4.4V。

2.2 阻抗減小有限值：

仍按上面的例子，PCB線條的特性阻抗為50歐姆，如果遇到的電阻是30歐姆，則反射系數(shù)為ρ=（30-50）/（30 50）=-0.25，反射系數(shù)為負(fù)值，說明反射電壓為負(fù)電壓，值3.3V*（-0.25V）=-0.825V，此時(shí)反射點(diǎn)電壓為3.3V （-0.825V）=2.475V。

2.3 開路：

開路相當(dāng)于阻抗無窮大，反射系數(shù)按公式計(jì)算為1。即反射電壓3.3V。反射點(diǎn)處電壓為6.6V?？梢?，在這種極端情況下，反射點(diǎn)處電壓翻倍了。

2.4 短路：

短路時(shí)阻抗為0，電壓一定為0。按公式計(jì)算反射系數(shù)為-1，說明反射電壓為-3.3V，因此反射點(diǎn)電壓為0。

計(jì)算非常簡單，重要的是必須知道，由于反射現(xiàn)象的存在，信號傳播路徑中阻抗發(fā)生變化的點(diǎn)，其電壓不再是原來傳輸?shù)碾妷?。這種反射電壓會(huì)改變信號的波形，從而可能會(huì)引起信號完整性問題。這種感性的認(rèn)識(shí)對研究信號完整性及設(shè)計(jì)電路板非常重要，必須在頭腦中建立起這個(gè)概念。

審核編輯：郭婷