詳細(xì)分析信號(hào)反射產(chǎn)生的機(jī)理和現(xiàn)象

高速數(shù)字信號(hào)的反射是影響現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)的重要因素之一 嚴(yán)重的反射將破壞信號(hào)完整性，并引起過沖現(xiàn)象，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)字邏輯和毀壞器件。 該文詳細(xì)分析了信號(hào)反射產(chǎn)生機(jī)理和現(xiàn)象，并給出了反射解決的方案 。

1 信號(hào)反射現(xiàn)象

1.1 反射基本概念

反射就是在傳輸線上的回波。如果一傳輸線電尺寸滿足長線時(shí)，且沒有被合理的端接（終端匹配），那么來自于驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)脈沖在接收端被反射，從而引發(fā)不預(yù)期效應(yīng)，使信號(hào)輪廓失真。反射是傳輸線的基本效應(yīng)，即當(dāng)信號(hào)沿著傳輸線前行時(shí) ， 碰到阻抗不連續(xù)時(shí)會(huì)發(fā)生反射：

1）當(dāng)信號(hào)在傳輸時(shí)碰到比目前阻抗高時(shí)，會(huì)發(fā)生正向反射，使信號(hào)邊沿的幅度增加，信號(hào)邊沿出現(xiàn)過沖 。從定義上來說，過沖就是指接收信號(hào)的第一個(gè)峰值或谷值超過設(shè)定電壓----對(duì)于上升沿是指第一個(gè)峰值超過最高電壓；對(duì)于下降沿是指第一個(gè)谷值超過最低電壓。

2）當(dāng)信號(hào)在傳輸時(shí)碰到比目前阻抗低時(shí)，會(huì)發(fā)生負(fù)向反射，使信號(hào)邊沿的幅度減小，信號(hào)邊沿出現(xiàn)臺(tái)階，即欠沖 。嚴(yán)重時(shí)將可能產(chǎn)生假時(shí)鐘信號(hào)，導(dǎo)致系統(tǒng)的誤讀寫操作。

如果在一個(gè)時(shí)鐘周期中，反復(fù)的出現(xiàn)過沖和欠沖，我們就稱之為振蕩，也叫 振鈴 。振蕩是路中因?yàn)榉瓷涠a(chǎn)生的多余能量無法被及時(shí)吸收的結(jié)果。下圖所示的波形就是一個(gè)明顯在過沖，欠沖 ， 振蕩的例子 。

在PCB設(shè)計(jì)中，反射通常由連線阻抗的不匹配造成，如不同布線層阻抗不一樣 、 T 型接、過孔、線寬的變化、器件的輸入輸出阻抗，封裝寄生參數(shù)等等。 下圖所示的理想傳輸線模型來分析與信號(hào)反射有關(guān)的重要參數(shù)。

理想傳輸線 內(nèi)阻為R0的數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)源Vs 驅(qū)動(dòng)，傳輸線的特性阻抗為 Z0，負(fù)載阻抗 RL。理想的情況是當(dāng)R0= Z0= RL 時(shí)，傳輸線的阻抗是連續(xù)的，不會(huì)發(fā)生任何反射，但能量半消耗在源內(nèi)阻 R0上， 另一半消耗在負(fù)載電阻 R1上（傳輸線無直流損耗，即無耗傳輸線）。

如果負(fù)載阻抗大于傳輸線的特性阻抗 Z0欠阻尼 。

如果負(fù)載阻抗小于傳輸線的特性阻抗，即 Z0>RL，負(fù)載試圖消耗比當(dāng)前源端提供的能量更多的能量，稱為 過阻尼 。欠阻尼和過阻尼都會(huì)產(chǎn)反向傳播的波形，某些情況下在傳輸線上會(huì)形成駐波 。

當(dāng) Z0=RL 時(shí)，負(fù)載完全吸收到達(dá)的能量，沒有任何信號(hào)反射回源端，稱為臨界阻尼 。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看，由于臨界阻尼情況很難滿足，所以最可靠的方式輕微的過阻尼，因?yàn)檫@種情況沒有能量反射回源端 。

負(fù)載端阻抗與傳輸線阻抗不匹配會(huì)在負(fù)載端（B點(diǎn)）反射一部分信號(hào)回源端（ A 點(diǎn)），反射電壓信號(hào)的幅值由負(fù)載反射系數(shù)定，見下式：

如果傳輸線由兩段不同特性阻抗的傳輸線組成，則連接點(diǎn)處也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的反射。傳輸線上出現(xiàn)的分叉點(diǎn)就是這樣一個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)（斷點(diǎn)）。

** 反射信號(hào)產(chǎn)生的主要原因：過長的走線；未被匹配終結(jié)的傳輸線，過量電容或電感以及阻抗失配。**

當(dāng)信號(hào)在線終端處的阻抗不連續(xù)點(diǎn)被反射時(shí)，信號(hào)的一部分將反射回源頭。當(dāng)反射信號(hào)達(dá)源頭時(shí)，若源頭端阻抗不等于傳輸線阻抗就將產(chǎn)生二次反射 。因此若傳輸線的兩端都存在阻抗不連續(xù)，信號(hào)將在驅(qū)動(dòng)線路和接收線路之間來回反射 。信號(hào)的反射波因傳輸線的損耗將最后達(dá)到直流穩(wěn)態(tài) 。

2 產(chǎn)生反射現(xiàn)象的因素

產(chǎn)生反射現(xiàn)象的因素有信號(hào)上升沿時(shí)間、傳輸線的端接、短分支節(jié)線、容性分支節(jié)線、拐角和通孔、載重線、電感性間斷線等。

2.1 上升時(shí)間對(duì)反射的影響

當(dāng)上升時(shí)間變得大于傳輸線延遲（TD）的兩倍時(shí)，傳輸線為短線，上升時(shí)間對(duì)波的形狀會(huì)存在影響 。因?yàn)樾盘?hào)到達(dá)負(fù)載端時(shí)，產(chǎn)生了反射，反射信號(hào)回到源端，但此時(shí)源端的信號(hào)正處于上升階段，這樣的反射會(huì)在信號(hào)緩慢的上升過程中被吸收掉，從而不會(huì)影響信號(hào)電平的幅值。

但如果當(dāng)上升時(shí)間小于TD的兩倍時(shí)，上升時(shí)間開始對(duì)波的形狀就會(huì)產(chǎn)生重要影響 。下兩圖分別顯示了欠載和過載傳輸線上不同上升沿時(shí)間的影響 。

2.2 串聯(lián)傳輸線的反射影響

電路板上走線的寬度必須被壓縮，因?yàn)樗赡芙?jīng)過通孔或在板密集區(qū)域的周圍布線 。如果走線的線寬有一小段發(fā)生變化，特性阻抗就會(huì)改變 ，通常是增加 。

有三個(gè)特征會(huì)決定短的傳輸線片斷的影響：不連續(xù)性的時(shí)延（TD），不連續(xù)性的特性阻抗（Z0），信號(hào)的上升時(shí)間 （RT） 。當(dāng)時(shí)延與上升時(shí)間相比很長時(shí)，反射系數(shù)將飽和。發(fā)射系數(shù)最大值與不連續(xù)性的反射有關(guān) ：

阻抗的不連續(xù)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的振蕩，因此設(shè)計(jì)互連線時(shí)必須具有均勻的特性阻抗。為了保證反射噪聲小于信號(hào)擺幅的5%，要求特性阻抗的變化要小于10%，這就是為什么電路板上對(duì)阻抗的控制在±10%。

2.3 短分支傳輸線的反射影響

分析短線的影響是比較復(fù)雜的，因?yàn)橐紤]很多反射的問題。當(dāng)信號(hào)離開驅(qū)動(dòng)端，首先會(huì)遇到分支點(diǎn) 。這里我們會(huì)看到兩段傳輸線并聯(lián)產(chǎn)生一個(gè)低的阻抗，則一個(gè)負(fù)反射將會(huì)返回到源端 。兩個(gè)重要的因素可決定分支對(duì)信號(hào)完整性的影響 ， 即信號(hào)的上升時(shí)間和分支的長度。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，分支的長度保持小于上升時(shí)間延展的20%，則分支的影響就不重要 。反之對(duì)信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生影響。經(jīng)驗(yàn)規(guī)則用式子來表示：

其中 Lstubmax 為可接受的分支長度的最大值，單位為 inch; RT 為信號(hào)的上升時(shí)間，單位為s；例如，對(duì)于1ns 的的上升時(shí)間，應(yīng)保持分支長度小于 1inch。很明顯 ， 當(dāng)上升時(shí)間變短時(shí)，將分支長度減小，使其不影響到信號(hào)的完整性，就變得越來越困。