信號完整性的反射因素詳解

1 容性分支在傳輸線中間引起的反射影響

附著在走線中間的測試點(diǎn) ， 通孔， 封裝引線，甚至一小段分支，作用就像一個(gè)集總電容 。下圖所示就是一個(gè)電容加在走線中間時(shí)，發(fā)射電壓和反射電壓的仿真結(jié)果。

圖為電容最初的阻抗較低，反射回源端的信號將有輕微的負(fù)極性偏向。下圖所示的情況是上升時(shí)間為 0.5ns，容分別為 0，2, 5, 10pF 的情況 。

發(fā)射信號最初不會(huì)受到影響，但是當(dāng)它從走線末端返回到源端時(shí)，就會(huì)受到影響 。返問信號再次遇到電容， 其中一些信號將帶有負(fù)號，反射回遠(yuǎn)端 。這些反射回到接收端就為負(fù)電壓，使接收到的信號下降，導(dǎo)致下沖。

輸線中間理想電容的影響依賴于信號的上升時(shí)間和電容的大小。電容越大，阻抗越小 ，會(huì)產(chǎn)生更大的負(fù)極性反射電壓，導(dǎo)致接收端出現(xiàn)更大的下沖。

在時(shí)域內(nèi)，電容的阻抗為：

如果信號是線性傾斜的，帶有上升時(shí)間為 RT, dV/dt 變?yōu)?V/RT，電容的阻抗為：

在上升時(shí)間的時(shí)間間隔內(nèi)，信號線與返回路徑間的電容是分流阻抗 Zcap， 跨越傳輸線的分流阻抗會(huì)導(dǎo)致反射。如下圖所示。為了使該阻抗的存在不產(chǎn)生嚴(yán)重問題， 希望這個(gè)阻抗比傳輸線的阻抗大的多，即希望 Zcap>>Z0 作為起始位置，Zcap＞5*Z0則電容和上升時(shí)間約束條件為 ：

Cmax ＝反射噪聲可能成問題之前，可接受的電容的最大值，單位為 nF。

2 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信號完整性的影響，即信號的上升時(shí)間和分支的長度。

設(shè)分支位于傳輸線的中間，并且與傳輸線有相同的阻抗 。下圖所示了在分支長度從上時(shí)間的 20 %增加到 60% 時(shí)，對發(fā)射信號和反射信號仿真的結(jié)果 。

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。反之對信號就會(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 為信號的上升時(shí)間，單位為s；

例如，對于1ns 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，使其不影響到信號的完整性，就變得越來越困。

3 拐角和通孔的影響

當(dāng)信號沿著均勻的互連線傳輸時(shí)，發(fā)射信號不存在反射及失真。如果均勻互連線存在 90的彎曲，就有阻抗的改變，則發(fā)生反射及信號的失真。90度的拐角導(dǎo)致了均勻互連線阻抗的不連續(xù)性，影響了信號的完整性。

下圖所示是對上升時(shí)間為50psec 的信號所作的 TDR響應(yīng)，附近有2個(gè)90 度的拐角，阻抗不連續(xù)性而導(dǎo)致反射，線寬為 65mil，阻抗為50歐姆。

將 90 度的拐角轉(zhuǎn)換為 45 度的彎曲將會(huì)減小這種影響，如果改用常寬的圓弧狀彎曲，影會(huì)進(jìn)一步減小。

拐角對信號傳輸線的唯一影響是由于走線彎曲處的額外寬度 。這個(gè)額外的線寬作用就像個(gè)容性的不連續(xù)性。這個(gè)容性的不連續(xù)性導(dǎo)致了信號的反射和時(shí)延 。

如果走線的彎曲處是常寬的，走線寬度沒有改變，信號在拐彎的每一點(diǎn)遇到的阻抗都是

相同的， 那么就不會(huì)有反射。下圖表明了拐角代表了正方形的一部分，粗略的估計(jì)，有正方形的一半。

拐角的電容可從正方形的電容以及走線單位長度的電容來估算：

走線單位長度的電容與走線的特性阻抗有關(guān)：

對拐角電容的估計(jì)為：

我們可以把這個(gè)估算概括成為一個(gè)方便記憶的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，在 50 歐姆的傳輸線中，拐角所帶來的相關(guān)電容為2 ×線寬 。線寬單位為 mil，電容單位為 fF。

若仍然保持 50 歐姆的阻抗，而線寬變窄，則拐角所帶來的電容將變小，影響就不明顯 。對于高密度電路板上的標(biāo)準(zhǔn)信號線， 5mils的線寬，管腳的電容為 10fF。

10fF的電容所帶來的反射噪聲信號的上升時(shí)間，根據(jù)公式

上升時(shí)間為 0.010pF/4~3ps.
10fF的電容所帶來的信號的時(shí)延，根據(jù)公式

時(shí)延為 0. 5× 50× 0.01pF=0.25ps 。

如果用通孔來連接一根信號線與測試點(diǎn)，或是與相鄰板層的另一根信號線相連，通孔會(huì)對于電路板的不同層具有過多的電容。這時(shí)，通孔可看作是一個(gè)集總的電容負(fù)載 。

通孔的電容大小依賴于孔的大小，隔離孔，板的表層及底層焊點(diǎn)的大小 。它的大小可從 0. 1pF 到超過1pF 的范圍 。信號線上的任一通孔都可看作是容性的不連續(xù)性，在高速互連中，是影響信號完整性的主要因素 。

4 載重線的反射影響

當(dāng)傳輸線上有一個(gè)容性負(fù)載時(shí)，信號會(huì)發(fā)生失真，并且上升時(shí)間下降。如果有多個(gè)負(fù)載布在傳輸線上，如果間隔與信號上升時(shí)間的空間延展相比要短，則從每個(gè)電容性不連續(xù)的反射會(huì)消除 。帶有均勻間隔分布的容性負(fù)載的傳輸線叫做載重線 。

每個(gè)不連續(xù)段都可看作是較低阻抗的區(qū)域。如果上升時(shí)間與電容間的時(shí)延相 比要短時(shí)，每個(gè)間斷的作用對信號來講就像離散的不連續(xù)性 。如果上升時(shí)間與電容間的時(shí)延相比要長，低阻抗區(qū)域疊加， 整個(gè)線的平均阻抗更低。

對于三個(gè)不同的上升時(shí)間，載重線的反射信號如圖示。在該例中，5個(gè)3pF的電容每隔1inch 分布在50歐姆的傳輸線上，走線的最后10inch沒有負(fù)載。

對于開始的幾個(gè)電容，可看到明顯的不連續(xù)性，但是后幾個(gè)的電容帶來的不連續(xù)性被消 。當(dāng)上升時(shí)間與電容間時(shí)延相比要長時(shí)，均勻分布的容性負(fù)載產(chǎn)生的效果，即走線的表面來的特性阻抗降低。在這種負(fù)載線中，單位長度的阻抗增加意味著特性阻抗更低，時(shí)延更。

在均勻的，未加電容負(fù)載的傳輸線中，特性阻抗和時(shí)延與單位長度的電容和電感有關(guān)：

如果有均勻分布的電容負(fù)載，每個(gè)負(fù)載為 C1間隔為d1， 走線上單位長度分布的電容從C0L增加到（C0L+C1/d1）.特性阻抗和響應(yīng)的時(shí)延為：

可見，當(dāng)增加分布的電容負(fù)載時(shí)，走線的特性阻抗降低，則端接電阻也應(yīng)降低 。