信號完整性：從PCB走線、信號反射到特性阻抗等
首先按看一下對信號發(fā)射端的影響。當(dāng)一個快速上升的階躍信號到達(dá)電容時，電容快速充電，充電電流和信號電壓上升快慢有關(guān)，充電電流公式為：I=C*dV/dt。電容量越大，充電電流越大，信號上升時間越快，dt越小，同樣使充電電流越大。
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1、PCB走線中途容性負(fù)載使發(fā)射端信號產(chǎn)生下沖，接收端信號也會產(chǎn)生下沖。
2、能容忍的電容量和信號上升時間有關(guān)，信號上升時間越快，能容忍的電容量越小。
信號完整性(二)：接收端容性負(fù)載的反射
隨著電容的充電，電壓變化率逐漸減小（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間變化的。
電容的阻抗為：
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至于信號上升時間增加的精確值是多少，對于電路設(shè)計(jì)來說沒必要，只要定性的分析，有個大致的估算就可以了。因?yàn)橛?jì)算再精確也沒實(shí)際意義，電路板的參數(shù)也不精 確！對于設(shè)計(jì)者來說，定性分析并了解影響，大致估算出影響在那個量級，能給電路設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)就可以了，其他的事軟件來做吧。舉個例子，如果信號上升時間 1ns，電容使信號上升時間增加遠(yuǎn)小于1ns，比如0.2 ns，那么這么一點(diǎn)點(diǎn)增加可能不會有什么影響。如果電容造成的上升時間增加很多，那可能就會對電路時序產(chǎn)生影響。那么多少算很多？看看電路的時序余量吧， 這涉及到電路的時序分析和時序設(shè)計(jì)。
總之接收端電容負(fù)載的影響有兩點(diǎn)：
1、使源端（驅(qū)動端）信號產(chǎn)生局部電壓凹陷。
2、接收端信號上升時間延長。
在電路設(shè)計(jì)中這兩點(diǎn)都要考慮。
信號完整性(三)：PCB走線寬度變化產(chǎn)生的反射
在進(jìn)行PCB布線時，經(jīng)常會發(fā)生這樣的情況：走線通過某一區(qū)域時，由于該區(qū)域布線空間有限，不得不使用更細(xì)的線條，通過這一區(qū)域后，線條再恢復(fù)原來 的寬度。走線寬度變化會引起阻抗變化，因此發(fā)生反射，對信號產(chǎn)生影響。那么什么情況下可以忽略這一影響，又在什么情況下我們必須考慮它的影響？
有三個因素和這一影響有關(guān)：阻抗變化的大小、信號上升時間、窄線條上信號的時延。
首先討論阻抗變化的大小。很多電路的設(shè)計(jì)要求反射噪聲小于電壓擺幅的5%（這和信號上的噪聲預(yù)算有關(guān)），根據(jù)反射系數(shù)公式：
以計(jì)算出阻抗大致的變化率要求為：
你可能知道，電路板上阻抗的典型指標(biāo)為+/-10%，根本原因就在這。
如 果阻抗變化只發(fā)生一次，例如線寬從8mil變到6mil后，一直保持6mil寬度這種情況，要達(dá)到突變處信號反射噪聲不超過電壓擺幅的5%這一噪聲預(yù)算要 求，阻抗變化必須小于10%。這有時很難做到，以 FR4板材上微帶線的情況為例，我們計(jì)算一下。如果線寬8mil，線條和參考平面之間的厚度為4mil，特性阻抗為46.5歐姆。線寬變化到6mil后特 性阻抗變成54.2歐姆，阻抗變化率達(dá)到了20%。反射信號的幅度必然超標(biāo)。至于對信號造成多大影響，還和信號上升時間和驅(qū)動端到反射點(diǎn)處信號的時延有 關(guān)。但至少這是一個潛在的問題點(diǎn)。幸運(yùn)的是這時可以通過阻抗匹配端接解決問題。
如果阻抗變化發(fā)生兩次，例如線寬從8mil變到6mil 后，拉出2cm后又變回8mil。那么在2cm長6mil寬線條的兩個端點(diǎn)處都會發(fā)生反射，一次是阻抗變大，發(fā)生正反射，接著阻抗變小，發(fā)生負(fù)反射。如果 兩次反射間隔時間足夠短，兩次反射就有可能相互抵消，從而減小影響。假設(shè)傳輸信號為1V，第一次正反射有0.2V被反射，1.2V繼續(xù)向前傳輸，第二次反 射有 -0.2*1.2 = 0.24v被反射回。再假設(shè)6mil線長度極短，兩次反射幾乎同時發(fā)生，那么總的反射電壓只有0.04V，小于5%這一噪聲預(yù)算要求。因此，這種反射是否 影響信號，有多大影響，和阻抗變化處的時延以及信號上升時間有關(guān)。研究及實(shí)驗(yàn)表明，只要阻抗變化處的時延小于信號上升時間的20%，反射信號就不會造成問 題。如果信號上升時間為1ns，那么阻抗變化處的時延小于0.2ns對應(yīng)1.2英寸，反射就不會產(chǎn)生問題。也就是說，對于本例情況，6mil寬走線的長度 只要小于3cm就不會有問題。
當(dāng)PCB走線線寬發(fā)生變化時，要根據(jù)實(shí)際情況仔細(xì)分析，是否造成影響。需要關(guān)注的參數(shù)由三個：阻抗變化有多大、信號上升時間是多少、線寬變化的頸狀部分有多長。根據(jù)上面的方法大致估算一下，適當(dāng)留出一定的余量。如果可能的話，盡量讓減小頸狀部分長度。
需要指出的是，實(shí)際的PCB加工中，參數(shù)不可能像理論中那樣精確，理論能對我們的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，但不能照搬照抄，不能教條，畢竟這是一門實(shí)踐的科學(xué)。估算出的值要根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)?shù)男抻啠賾?yīng)用到設(shè)計(jì)中。如果感覺經(jīng)驗(yàn)不足，那就先保守點(diǎn)，然后在根據(jù)制造成本適當(dāng)調(diào)整。
信號完整性(四)：信號振鈴是怎么產(chǎn)生的
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，就會發(fā)生信號的反射。這個信號可能是驅(qū)動端發(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，就會發(fā)生負(fù)反射，反射的負(fù)電壓會使信號產(chǎn)生下沖。信號在驅(qū)動端和遠(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)動端傳輸3.3V電壓信號。我們跟著信號在這條傳輸線中跑一次，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。圖2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)電壓會有上下波動，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梗≡谘芯啃盘柾暾詥栴}時，一定時時注意阻抗問題。
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。此時反射點(diǎn)電壓為3.3V+（-0.825V）=2.475V。
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。可見，在這種極端情況下，反射點(diǎn)處電壓翻倍了。
短路：
短路時阻抗為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)碾妷骸＿@種反射電壓會改變信號的波形，從而可能會引起信號完整性問題。這種感性的認(rèn)識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概念。
信號完整性（六）：多長的走線才是傳輸線
多長的走線才是傳輸線？
這和信號的傳播速度有關(guān)，在FR4板材上銅線條中信號速度為6in/ns。簡單的說，只要信號在走線上的往返時間大于信號的上升時間，PCB上的走線就應(yīng)當(dāng)做傳輸線來處理。
我們看信號在一段長走線上傳播時會發(fā)生什么情況。假設(shè)有一段60英寸長的PCB走線，如圖1所示，返回路徑是PCB板內(nèi)層靠近信號線的地平面，信號線和地平面間在遠(yuǎn)端開路。
信 號在這條走線上向前傳播，傳輸?shù)阶呔€盡頭需要10ns，返回到源端又需要10ns，則總的往返時間是20ns。如果把上面的信號往返路徑看成普通的電流回 路的話，返回路徑上應(yīng)該沒有電流，因?yàn)樵谶h(yuǎn)端是開路的。但實(shí)際情況卻不是這樣，返回路徑在信號上后最初的一段時間有電流。
在這段走線上加一個上升時間為1ns的信號，在最初的1ns時間，信號還線條上只走了6英寸，不知道遠(yuǎn)端是開路還是短路，那么信號感覺到的阻抗有多大，怎么確定？如果把信號往返路徑看成普通的電流回路的話就會產(chǎn)生矛盾，所以，必須按傳輸線處理。
實(shí) 際上，在信號線條和返回地平面間存在寄生電容，如圖2所示。當(dāng)信號向前傳播過程中，A點(diǎn)處電壓不斷不變化，對于寄生電容來說，變化的電壓意味著產(chǎn)生電流， 方向如圖中虛線所示。因此信號感受到的阻抗就是電容呈現(xiàn)出來的阻抗，寄生電容構(gòu)成了電流回流的路徑。信號在向前傳播所經(jīng)過的每一點(diǎn)都會感受到一個阻抗，這 個阻抗是變化的電壓施加到寄生電容上產(chǎn)生的，通常叫做傳輸線的瞬態(tài)阻抗。
圖2
當(dāng)信號到達(dá)遠(yuǎn)端，遠(yuǎn)端的電壓升至信號的最終電壓后，電壓不再變化。雖然寄生電容還是存在，但是沒有電壓的變化，電容相當(dāng)于開路，這對應(yīng)的就是直流情況。
因此，這個信號路徑短期的表現(xiàn)和長期的表現(xiàn)不一樣，在起始一小段時間內(nèi)，表現(xiàn)就是傳輸線。即使傳輸線遠(yuǎn)端開路，在信號跳變期間，傳輸線前段的性能也會像一個阻值有限的電阻。
信號完整性（七）：特性阻抗
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一個很重要的特性阻抗就是自由空間的特性阻抗，也叫自由空間的波阻抗，在EMC中非常重要。自由空間特性阻抗為
對于常見的FR4板材的PCB板上， 特性阻抗的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。對于微帶線，線寬W是介質(zhì)厚度h的2倍。對于帶狀線，線條兩側(cè)介質(zhì)總厚度b是線寬W的兩倍。
了解這些特殊的特性阻抗，對于設(shè)計(jì)電路板有一定的參考意義，能讓我們在制作電路前有個直覺的認(rèn)識。