我們之前在PCB 傳輸線文章中快速討論了信號反射。這是一篇關(guān)于PCB設(shè)計人員應(yīng)該掌握的非常重要的主題的深入文章。首先要記住的是，由于阻抗不連續(xù)，PCB 傳輸線中會發(fā)生信號反射。

傳輸線應(yīng)具有均勻的特性阻抗。阻抗的任何變化或不連續(xù)都會導(dǎo)致信號反射和失真。

這種現(xiàn)象同樣適用于 PCB 走線和傳輸線。原因是高頻信號的物理波長非常短。因此，PCB 走線表現(xiàn)出相同的特性。頻率越高，波長越短。您甚至必須像傳輸線一樣對待較短的走線。

信號軌跡不連續(xù)性或非均勻不連續(xù)性形成信號完整性不連續(xù)性。為了避免源端和目標(biāo)端的信號失真，您必須將 PCB 走線阻抗與源端匹配。然后您必須在源端和目標(biāo)端加載阻抗。這提出了一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，需要仔細(xì)的 PCB 設(shè)計來減輕由阻抗不連續(xù)引起的信號衰減的影響。特性阻抗的不連續(xù)性越大，信號反射就越高。這意味著信號失真也更高。因此，盡量保持阻抗不連續(xù)性盡可能小。在幅度和時間方面。閱讀：為什么受控阻抗真的很重要。

阻抗不連續(xù)性影響信號完整性

理論上，數(shù)字信號是在很短的時間內(nèi)切換的方波脈沖。自然而然地，高頻數(shù)字電路所需的短信號上升時間將導(dǎo)致與快速信號上升時間相關(guān)的極高頻率。實(shí)際上，這些頻率將比電路的時鐘頻率高一個數(shù)量級。高頻數(shù)字電路的脈寬更短。從而更短的上升時間。非常短的信號上升時間意味著數(shù)字信號中包含非常高的頻率。因此，高頻數(shù)字信號應(yīng)遵循與高頻信號相關(guān)的信號完整性規(guī)則。

因此，PCB 走線阻抗的任何變化都會導(dǎo)致信號反射。這些會導(dǎo)致振鈴和信號失真。這樣做的結(jié)果是，在高開關(guān)頻率下，阻抗不連續(xù)性對數(shù)字信號造成的失真非常嚴(yán)重，可能會出現(xiàn)信號采樣錯誤。您可以通過以下參數(shù)表征由 PCB 走線形成的傳輸線：電阻、電導(dǎo)和走線電阻。閱讀PCB 中微帶線和帶狀線的區(qū)別。

典型的阻抗不連續(xù)性

線路的特性阻抗是電感除以電容的平方根。這是 PCB 的合理假設(shè)，因為與其電感和電容相比，高信號頻率下的走線電阻和電導(dǎo)可以忽略不計。

阻抗不連續(xù)是任何影響走線電感與其電容之比的因素。下面是一些典型的例子：

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• 線路中的阻抗變化：如果線路的阻抗因任何原因發(fā)生變化，例如由于銅截面的變化或走線路徑的變化，互感會發(fā)生變化，并且會出現(xiàn)阻抗不連續(xù)。

• 線路中的分支：雖然可能需要將信號路由到多個設(shè)備，但分支和線路短截線的使用會改變線路阻抗，從而導(dǎo)致不連續(xù)。

• 返回信號分裂：高頻信號沿著阻抗最低的路徑傳播，該路徑位于信號走線的正下方，通常位于接地層中。返回線或接地平面中任何迫使返回信號偏離此路徑的物理特征都會造成不連續(xù)性。

• 過孔：使用過孔將信號從 PCB 的一層傳輸?shù)搅硪粚印?/span>盡管是 PCB 設(shè)計的基本特征，但過孔的形狀和尺寸會改變走線的電感和電容，從而產(chǎn)生另一個不連續(xù)性。要了解更多信息，請閱讀如何減少 PCB 布局中的寄生電容。

如何限制阻抗不連續(xù)的影響

控制阻抗不連續(xù)性負(fù)面影響的關(guān)鍵是將所有 PCB 信號走線視為傳輸線。您應(yīng)該確保信號路徑上所有點(diǎn)的特征阻抗都相同。

確保您遵循以下準(zhǔn)則：

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• 匹配源阻抗和負(fù)載阻抗：確保源阻抗和負(fù)載阻抗與走線阻抗相同。您可以通過使用串聯(lián)或并聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn)正確的阻抗來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此外，您必須使用正確值的電阻器終止任何開路走線。

• 避免分支：如果信號必須由多個芯片共享，請以菊花鏈方式連接線路，而不是使用分支。或者，可以使用匹配的緩沖設(shè)備將信號傳輸?shù)椒种А?/span>

• 信號返回路徑：確保信號返回遵循與信號線相同的路徑。如果使用接地層，請確保沒有中斷返回信號路徑的分裂。確保走線下方有一個貫穿整個長度的實(shí)心平面，沒有裂口或切口。如果沒有實(shí)心平面，請使用較粗的返回走線，它應(yīng)覆蓋走線縱向和電介質(zhì)高度的三倍。

• 過孔設(shè)計：將高頻走線布置在盡可能遠(yuǎn)的一層上。如果需要過孔，請使用微孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)的過孔。由于通孔具有顯著不同的電容和電感特性，因此盡量減少它們在信號走線上的使用。在需要的地方，使用電容和電感比標(biāo)準(zhǔn)過孔小得多的微過孔。微孔還有助于使存根長度盡可能短。另一種方法是使用高密度互連或HDI PCB技術(shù)。

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阻抗不連續(xù)的不利影響是嚴(yán)重的。您不能在以高時鐘頻率運(yùn)行的數(shù)字 PCB 電路中忽略它們。在通過遵循合理的設(shè)計實(shí)踐并在可能的情況下使用高級 PCB 設(shè)計軟件來評估和減少阻抗不連續(xù)性來控制這些影響時，您應(yīng)該小心。

阻抗不連續(xù)性和信號反射

均勻傳輸線上的信號在線路上的所有位置都會遇到恒定阻抗“Zc (V/I)”，并且信號會根據(jù)需要沿著它傳輸。但是，如果在任何一點(diǎn)存在阻抗不連續(xù)性，信號傳播都會受到影響，并且信號反射會發(fā)生，就像光在其傳播的介質(zhì)中遇到不連續(xù)性時會發(fā)生反射一樣。

假設(shè)從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)，線路是均勻的，阻抗為“Zi”；但在 B 處，存在阻抗不連續(xù)性，并且線路阻抗在 B 處及以后變?yōu)椤癦0”。

假設(shè)信號從 A 在（阻抗為“Zi”的）線上向 B 發(fā)送。在 B 處，讓入射信號電壓和電流為“Vi”和“Ii”。那么，我們必須有：

Vi = Zi I0 (1)

現(xiàn)在，如果我們從線路阻抗為“Zo”的右側(cè)看 B，那么此時 B 處的傳輸電壓 'Vo' 和傳輸電流 'I0' 必須通過以下方式相關(guān)聯(lián)：

V0 = Z0 I0 (2)

需要強(qiáng)調(diào)的是，關(guān)系式（1）和（2）是阻抗概念的基礎(chǔ)，必須始終遵守。

給定“Vi”、“Zi”和“Zo”的值，問題是找到“Vo”的值。

情況 1：Z0 = Zi ，（即線路阻抗沒有不連續(xù)性）

在這種情況下，上述方程 (1) 和 (2) 將同時滿足：

V0 = Vi 和 I0 = Ii

這是可以預(yù)料的，因為在這種情況下，B 點(diǎn)基本上是均勻傳輸線上的任何點(diǎn)，因此在這條線上的每個 B 點(diǎn)，傳輸?shù)男盘枌⒌扔谌肷湫盘枴?/span>

情況 2：Z0 ≠ Zi ，（即線路中存在阻抗不連續(xù)性）

這里，如果同時看等式（1）和（2），由于Z0≠Zi，很容易得出結(jié)論，我們不能同時有Vi=V0和Ii=I0；因為，如果我們暫時假設(shè) Vo = Vi，那么 Ii ≠ I0；如果我們假設(shè) Ii = I0，則 Vo ≠ Vi。因此我們得出的結(jié)論是，在阻抗不連續(xù)處，入射信號沒有完全完全向前傳輸。

我們能夠滿意地解決這個問題的唯一方法是假設(shè)入射信號的一部分在阻抗不連續(xù)點(diǎn) B 反射回來，并且這個反射信號疊加在入射信號上的 B 點(diǎn)和左邊的一條線上其中；在 B 點(diǎn)，入射信號和疊加反射信號的結(jié)果將等于 B 點(diǎn)的透射信號。

因此，假設(shè) (Vi,Ii) 的一部分在 B 點(diǎn)反射回“Zi”傳輸線。讓我們用 (Vr,Ir) 表示 B 點(diǎn)反射信號的電壓和電流。

因此，在 B 點(diǎn)，由于入射電壓 Vi 和反射電壓 Vr 產(chǎn)生的信號電壓將為 (Vi + Vr)，并且根據(jù)在 B 點(diǎn)應(yīng)用的基爾霍夫定律，這必須等于“Vo”：

V0 = Vi + Vr (3)

由于入射電流“Ii”和反射電流“Ir”（與入射電流方向相反）疊加而產(chǎn)生的電流將為（Ii – Ir），并且根據(jù)應(yīng)用的基爾霍夫定律在 B 點(diǎn)，這必須等于 'Io'：

I0 = Ii – Ir (4)

反射 (Vr,Ir) 信號在阻抗為“Zi”的線路上傳播，我們必須有：

Vr = Zi Ir (5)

使用等式（3）中的等式（1）、（2）和（5），我們有：

Z0I0 = ZiIi + ZiIr = (Ii + Ir)

因為，根據(jù) (4)，I0 = (Ii – Ir)，我們有：

Z0 (Ii – Ir) = Zi (Ii + Ir)

或 Ii (Z0 – Zi) = Ir (Z0 + Zi)

Vr/Vi 或 Ir/Ii 表示在阻抗不連續(xù)點(diǎn) B 反射回來的入射信號的分?jǐn)?shù)，稱為反射系數(shù)“Rc”：

就“Rc”而言，B 點(diǎn)傳輸?shù)男盘栯妷汉碗娏饔上率浇o出：

Vo = Vi + Vr = (1 + Rc) x Vi (7)

并且： Io = Ii – Ir = ( 1 – Rc) x Ii (8)

由上可知，反射系數(shù)'Rc'的值取決于'Zi'和'Zo'的相對值；它們之間的差異越大，反射量就越大。可以肯定地得出結(jié)論，在阻抗為純電阻的情況下，“Rc”值的范圍可以由下式給出：

-1 ≤ Rc ≤ 1

如果 Z0 > Zi，則部分正信號被反射回來，導(dǎo)致脈沖信號中 B 處的電壓過沖。如果 Z0 < Zi，則部分負(fù)信號被反射回來，導(dǎo)致脈沖信號中 B 處的電壓下沖。

我們現(xiàn)在可以討論“Zi”和“Zo”的相對大小的一些特殊情況。

情況 (i)：傳輸線以其阻抗終止

這里 Z0 = Zi（因為傳輸線在其遠(yuǎn)端 B 端接阻抗值為“Zi”），這導(dǎo)致： Rc = 0 即沒有反射，入射信號將完全傳輸?shù)竭h(yuǎn)端 B。這個案例告訴我們?nèi)绾伪苊鈧鬏斁€中的反射：只需在目的地端接一個與傳輸線阻抗相等的阻抗即可。

情況 (ii)：傳輸線在遠(yuǎn)端開放

這里 Z0 = ∞（因為傳輸線在其遠(yuǎn)端 B 處開路），導(dǎo)致 Rc = 1。這意味著入射信號將被完全反射，因此 V0 = 2Vi 和 I0 = 0。這意味著疊加信號電壓將是入射電壓的兩倍，疊加信號電流將為零，正如在開放端所預(yù)期的那樣。

情況 (iii)：傳輸線短路

此處 Z0 = 0（因為線路在遠(yuǎn)端 B 處短路），導(dǎo)致 Rc = -1，因此 V0 = 0 且 I0 = 2Ii。這意味著全入射信號的負(fù)值被反射回來，使短路端的電壓如預(yù)期的那樣為零。

情況(iv)：當(dāng)Zo≠Zi但差異很小時

如果“Zo”與“Zi”相差約 20%，反射系數(shù)“Rc”將為約 10%，這意味著大約 5% 的入射信號將被反射。在大多數(shù)電路設(shè)計中，由于可用的噪聲容限，阻抗不匹配導(dǎo)致的 10% 信號失真是可以接受的。

各種類型的阻抗不連續(xù)性及其可能的原因：

由于傳輸線的阻抗取決于導(dǎo)體的幾何形狀和 PCB 材料特性，因此這些特性的任何變化都會導(dǎo)致阻抗發(fā)生變化。此處列出了一些實(shí)例：

1. 在線路的源頭或目的地/末端。源阻抗或接收器阻抗通常與線路的阻抗不同。

2. 信號線和返回路徑之間的 PCB 材料的線寬或高度（即銅厚度）的變化或高度和/或介電常數(shù)的變化。

3. 信號走線路徑中的過孔：過孔通常沒有與信號走線相同的阻抗——沒有多少設(shè)計人員試圖找出過孔是什么阻抗是。優(yōu)點(diǎn)是過孔長度很小，所以它的效果會以光點(diǎn)的形式出現(xiàn)。過孔的開始將引入一個反射，然后過孔的末端將引入另一個反射。如果過孔阻抗小于線路阻抗，這將導(dǎo)致信號電壓出現(xiàn)小幅下沖。對于非常高速的信號，過孔阻抗不連續(xù)性確實(shí)很重要，建議設(shè)計人員在關(guān)鍵信號線中避免它們，如有必要，避免在線中間——而是將它們靠近源和/或目標(biāo)，以便它們可以與源和目標(biāo)阻抗不連續(xù)一起處理。

4. 如果信號線分支到多個目的地，在分支點(diǎn)，我們會看到阻抗不連續(xù)。如果信號線在其路徑上的不同點(diǎn)被抽頭，則在抽頭點(diǎn)處將存在阻抗不連續(xù)性。

多次反射：

考慮一條傳輸線，其長度使得其上的總傳播時間為“tp”，并使其阻抗為 50 歐姆。在源端，它連接到一個阻抗為 16.67 歐姆的源，在目的地，它連接到一個 150 歐姆的負(fù)載。因此，源處的反射百分比將為 -50%，而在負(fù)載時為 +50%。

由源發(fā)射的 1V 信號將在時間 0 在線路上降低到 1V x 50/(16.67+50)= 0.75V。在時間“tp”，這個 0.75V 信號將到達(dá)目的地，即 50%，即 0。 375V 將被反射回來，使負(fù)載電壓 = 1.5×0.75 = 1.125V。現(xiàn)在，0.375V 反射信號將在時間“2tp”到達(dá)源，其中 -50% 即 -0.1875V 信號將反射到負(fù)載。這將在時間 '3tp' 到達(dá)負(fù)載，其中 50% = -0.0938V 將被反映，因此將 -0.1875-0.0938 = -0.2813V 添加到 1.125V 的舊負(fù)載電壓，使其現(xiàn)在 = 0.8438V。

同時，-0.0938V的反射信號將在時間'4tp'到達(dá)源，其中-50% = +0.04688V將被反射到負(fù)載；這將在“5tp”到達(dá)負(fù)載，其中 +50% = +0.02345V 將被反射回來，因此將 +0.04688V +0.02344V = + 0.07032V 添加到負(fù)載，使負(fù)載電壓現(xiàn)在 = 0.9141V。同時，強(qiáng)度+0.02344V的反射信號將在'6tp'時間到達(dá)源，其中-50%即-0.01172V將在'7tp'反射到達(dá)負(fù)載，其+50%將被反射回來，向負(fù)載添加 -0.01172Vx150% = -0.01758V，使負(fù)載電壓現(xiàn)在 = 0.9141V-0.01758V= 0.8965V。等等......所以目的地的信號看起來像：

從0到tp：0V
tp到3tp：1.125V
3tp到5tp：0.8438V
5tp到7tp：0.9141V
7tp到9tp：0.8965V

因此，我們將看到目的地的信號振鈴。如果源阻抗小于線路阻抗，導(dǎo)致源端出現(xiàn)負(fù)反射，而目的阻抗較高，導(dǎo)致目的端出現(xiàn)正反射，則會出現(xiàn)帶有過沖和下沖的振鈴。