信号完整性分析--信号反射及阻抗匹配

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1、信号完整性：信号反射信号沿传输线向前传播时，每时每刻都会感受到一个瞬态阻抗，这个阻抗可能是传输线本身的，也可能是中途或末端其他元件的。对于信号来说，它不会区分到底是什么，信号所感受到的只有阻抗。如果信号感受到的阻抗是恒定的，那么他就会正常向前传播，只要感受到的阻抗发生变化，不论是什么引起的（可能是中途遇到的电阻，电容，电感，过孔，PCB转角，接插件），信号都会发生反射。 那么有多少被反射回传输线的起点？衡量信号反射量的重要指标是反射系数，表示反射电压和原传输信号电压的比值。反射系数定义为：ρ= 。其中：Z1为变化前的阻抗

2、，Z2为变化后的阻抗。假设PCB线条的特性阻抗为50欧姆，传输过程中遇到一个100欧姆的贴片电阻，暂时不考虑寄生电容电感的影响，把电阻看成理想的纯电阻，那么反射系数为：ρ=，信号有1/3被反射回源端。如果传输信号的电压是3.3V电压，反射电压就是1.1V。 纯电阻性负载的反射是研究反射现象的基础，阻性负载的变化无非是以下四种情况：阻抗增加有限值、减小有限值、开路（阻抗变为无穷大）、短路（阻抗突然变为0）。 阻抗增加有限值： 反射电压上面的例子已经计算过了。这时，信号反射点处就会有两个电压成分，一部分是从源端传来的3.3V

3、电压，另一部分是在反射电压1.1V，那么反射点处的电压为二者之和，即4.4V。 阻抗减小有限值： 仍按上面的例子，PCB线条的特性阻抗为50欧姆，如果遇到的电阻是30欧姆，则反射系数为 ρ==-0.25，反射电压为3.3*（-0.25）V=-0.825V。此时反射点电压为3.3V+（-0.825V）=2.475V。 开路： 开路相当于阻抗无穷大，反射系数按公式计算为1。即反射电压3.3V。反射点处电压为6.6V。可见，在这种极端情况下，反射点处电压翻倍了。 短路： 短路时阻抗为0，电压一定为0。按公式计算反射系数为-1，

4、说明反射电压为-3.3V，因此反射点电压为0。 由于反射现象的存在，信号传播路径中阻抗发生变化的点，其电压不再是原来传输的电压。这种反射电压会改变信号的波形，从而可能会引起信号完整性问题。信号完整性分析---信号反射及阻抗匹配信号反射产生的原因，当信号从阻抗为Z0 进入阻抗为Zl的线路时，由于阻抗不匹配的原因，有部分信号会被反射回来，也可以用 “传输线上的回波来概括”。如果源端、负载端和传输线具有相同的阻抗，反射就不会发生了。 反射的影响: 如果负载阻抗小于传输线阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于传输线阻抗，反射

5、电压为正。实际问题中，PCB上传输线不规则的几何形状，不正确的信号匹配，经过连接器的传输及电源平面不连续等因素均会导致反射情况发生，而表现出诸如过冲、下冲以及振荡等信号失真的现象。 过冲，当信号的第一个波峰超过原来设定的最大值，信号的第一个波谷超过原来设定的最大值时，为过冲，也就是冲过头了。下冲，当信号的第二个波峰波谷超过设定值时，称为下冲。过大的过冲会导致元件保护二极管损坏，而下冲严重时会产生假时钟，导致系统误读写操作。 如果过冲过大我们可以采用阻抗匹配的方式消除过冲。震荡：信号的反射也会引起信号震荡，而震荡的本质跟过

6、冲/下冲是一样的，在一个周期内，信号反复的过冲下冲我们称之为信号震荡。震荡是消除电路多余能量的一种方式。通过震荡的信号，可以将反射而产生的多余能量给消耗掉。 欠阻尼（振铃）是指终端的阻尼小，过阻尼（环绕）是指终端的阻尼大了。 (不只是分布式电路才会产生振荡，集总电路由于LC振荡也会产生振荡，其振荡的大小和电路的品质因素Q有关，Q值代表了电路中信号的衰减速度，Q值越高衰减越慢。可以通过单位时间电路储存的能量与丢失的能量比值来衡量) Q<1/2的时候就不存在过冲或者振荡。 阻抗匹配，由于源端与负载端的阻抗不匹配才引起信号的反

7、射，因此要进行阻抗匹配，从而降低反射系数，可以在源端串接阻抗，或者负载端并行接阻抗。反射系数公式：P=(Z1-Z0)/(Z1+Z0)  阻抗匹配端接技术汇总 单电阻端接 经总结：串联电阻匹配一般适用于单个负载的情况。 一、 串行端接串行匹配：（不太适用太高的高速）  二 、并行端接并行匹配：（更适用于高速）  1、单电阻并行端接  缺点：降低了输出的高电平，匹配电阻接地会造成下降沿过快（接电源上升源变快），这样会导致波形占空比不平衡    2、 戴维宁并行接法  优点：综合适用上下来电阻，平衡输出高低电平，减小因占空比失

8、调能力消耗 缺点：静态直流功率过大，在TTL和CMOS电路中不常用。 3、并行AC端接  优点：AC端接避免较多的电源消耗， 缺点：由于电容的大小很难确定，大电容会吸收较大电流增加电源损耗，小电容则会减弱匹配效果，建议通过仿真来确定电容值。 应用:并联交流匹配一般用在多接收端和时钟信号线。 (二极管端接法，此法不属于