信号完整 性--传输线与反射

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如果沿互联传播史受到的瞬时阻抗发生变化，则一部分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播下去，这一原理正是单一线网中多数信号完整性问题产生的主要原因。只要信号遇到瞬时阻抗发生变化就会发生反射。就形成了振铃、过冲或者下冲，也就是引起噪声、甚至是误触发。

                                                           

所以我们设计互联的主要目的就是保持瞬时阻抗恒定。因此在设计过程中，第一，保证特征阻抗不变，第二可以在传输线的终端进行阻抗匹配，第三，使用良好的布线拓扑结构，拓扑结构也会影响反射（线上不要有分支和桩线）。

反射系数（跟后面S11返回损耗有些相似）：

                             

这个公式熟记。无论信号波形是什么形状，只要遇到交界面，波形的各部分都有反射。在解决这一问题有下面四个设计要点

1、使用可控阻抗互联，2、传输线两端至少有一个端接匹配，3、选择布线拓扑结构，4、让几何结构的任何突变都最小化。之所以产生反射，是因为要满足两个重要的边界条件V1=V2 I1=I2.

                                                       

信号导体和返回导体之间的总电压是沿着这两个方向传播的电压之和。前面特征阻抗公式推导中，电压和电流的解就是在数学上解释这个问题。

                                                   

下面我们讲讲关于不同负载的反射。

一、阻性负载反射，

如果传输线的终端为开路，即传输线的末端没有任何端接，则末端的瞬时阻抗是无穷大（第二区域可以不是传输线，可能是一个相应的分立元件或者他们的组合电路）。则反射系数=1

                                                                       

入射为1V,末端电压等于反射电压和入射电压之和=2V.如果在末端放一个50Ω的电阻，那么可以使得信号不反射，这也是后面会提到的端接。如果短接，反射系数为-1，这末端电压=0.

整个反弹图如下：

                                 

图中有两个重要特性1、远端的电压最终逼近源电压1V，因为该电路是开路的，所以这是必然结果。2、开路处的实际电压有时候大于源电压。阻抗突变引起的信号失真程度受两个最重要参数的影响：信号的上升边和阻抗突变的大小。当信号通过电路元件时，电流和电压的变化率随时间变化，所以元件的阻抗也随时间变化。最简单的传输线电路由近端驱动器、短的可控阻抗互联和远端接收器组成。当导线很长时，多次反射会引起信号完整性问题，一般将其归结为振铃问题，当延时远小于上升边，那么多次反射将被掩盖在上升沿中，几乎无法辨认也就不会导致潜在的问题。根据振铃硬气的原因，也就是阻抗变化引起的不断反射。所以如果能在至少一端消除反射就能减小振铃噪声。控制传输线一端或者两端的阻抗以减小反射的方法称为端接。典型的方法就是在重要部位放置一个或多个电阻器。

四种常用端接方法：

                                                       

                                                             

在工作中会遇到的一些匹配。

二、容性负载反射

所有的接收器都有门输入电容，当信号沿传输线到达末端的理想电容器时，决定反射系数的瞬时阻抗将随着时间的变化而变化。

                                                                   

如果信号上升边小于电容器的充电时间常数，那么最初的电容器上电压迅速上升，这是阻抗很小。随着电容器的充电，电容器的电压变化率会缓慢下降，这是电容器阻抗将明显增大。如果时间足够长，电容器达到饱和，那么电容器相当于断路。

也就是反射系数随着时间的变化而变化。反射信号将会先下跌再上升到开路状态是的情况。传输电压模式的长期效果就像通过电阻器向电容器充电。电容器对信号上升沿进行滤波，对接收端而言，她相当于一个‘时延累加器’。

在容性负载的传输线末端，电压的变化形式就像RC在充电。其中C是负载电容量。那么传输信号的10%-90%的上升边主要由充电RC决定，约等于：

                                                              

如果信号初始的上升沿比充电时间短，则传输线末端的容性负载引起的时延占主导地位，并决定了接收端的上升边，如果初始上升边比延时大，则负载端的延时为初始信号上升边累加上约等于10%-90%RC的上升时延。

在走线中，焊盘、过孔、封装引线或链接到互联中的短桩线，都起着集总电容的作用。传输线中的理想电容的影响由信号上升边和电容量决定。电容量越大，电容器阻抗就越小，负反射电压就越大，从而接收端的下冲就越大。同理，上升边越短促，电容器阻抗就越小，下冲也越大。

                                                           

C表示突变处的电容量。

为了控制下冲，因此在

                                     

我们希望的情况是Zcap无穷大，这样就不会影响传输线的传输，返回路径和信号路径之间隔断，希望Zcap>>Z0.因此可推出

                                                                      

反射噪声不出问题时的可容许的最大电容量。

中途容性负载产生的第一位影响是接收端的下冲噪声，第二位的更复杂的影响则是远端信号的接受时间的延时。

                                               

基本上每个过孔就会增加25ps时延，所以过孔很容易造成严重的时序问题。

走线中，弯曲处的额外宽度是影响信号传输唯一因素，它如同一个容性突变。50欧姆传输线的一个拐角电容量约等于两倍线宽。

                                                                           

信号传输线与反射主要就是这些了。其次还有感性突变引起的反射和有载线的一些情况。具体的可以查阅其他资料。