信號(hào)完整性系列之“反射”

本文主要介紹反射的相關(guān)概念，反射產(chǎn)生的原因，反射的消除措施。
反射
反射就是在傳輸線上產(chǎn)生了回波。如果一條傳輸線滿足長(zhǎng)線并且沒有被合理的端接，那么來自于驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)脈沖就會(huì)在接收端被反射，從而產(chǎn)生非預(yù)期的效果，使信號(hào)失真。反射是傳輸線的基本效應(yīng), 即當(dāng)信號(hào)沿著傳輸線前行時(shí)，只要碰到阻抗不連續(xù)時(shí)會(huì)發(fā)生反射。

當(dāng)信號(hào)在傳輸時(shí)碰到比目前阻抗高時(shí)，會(huì)發(fā)生正反射，使信號(hào)邊沿的幅度增加，信號(hào)邊沿出現(xiàn)過沖。從定義上來說，過沖就是指接收信號(hào)的第一個(gè)峰值或谷值超過設(shè)定電壓(對(duì)于上升沿是指第一個(gè)峰值超過最高電壓；對(duì)于下降沿是指第一個(gè)谷值超過最低電壓)。
當(dāng)信號(hào)在傳輸時(shí)碰到比目前阻抗低時(shí)，會(huì)發(fā)生負(fù)反射，使信號(hào)邊沿的幅度減小，信號(hào)邊沿出現(xiàn)臺(tái)階，即下沖。嚴(yán)重時(shí)將可能產(chǎn)生假時(shí)鐘信號(hào)，導(dǎo)致系統(tǒng)的誤讀寫操作。
如果在一個(gè)時(shí)鐘周期中，反復(fù)的出現(xiàn)過沖和欠沖，我們就稱之為振蕩，也叫振鈴。振蕩是電路中因?yàn)榉瓷涠a(chǎn)生的多余能量無法被及時(shí)吸收的結(jié)果。

在PCB設(shè)計(jì)中，反射通常由傳輸線阻抗的不匹配造成，如：不同布線層阻抗不一樣、T型連接、過孔、線寬的變化、器件的輸入輸出阻抗，封裝寄生參數(shù)等等。當(dāng)信號(hào)在傳輸線終端處的阻抗不連續(xù)點(diǎn)被反射時(shí)，信號(hào)的一部分將反射回源端。當(dāng)反射信號(hào)到達(dá)源端時(shí)，若源端阻抗不等于傳輸線阻抗就將產(chǎn)生二次反射。因此若傳輸線的兩端都存在阻抗不連續(xù)，信號(hào)將在驅(qū)動(dòng)線路和接收線路之間來回反射。信號(hào)的反射波因傳輸線的損耗將最后達(dá)到直流穩(wěn)態(tài)。下圖是采用反彈圖描述的信號(hào)傳輸過程的瞬時(shí)圖：

反射產(chǎn)生的原因
產(chǎn)生反射現(xiàn)象的根本原因是信號(hào)傳輸通路的阻抗不連續(xù)或者不匹配，具體到實(shí)際的PCB設(shè)計(jì)中的因素包括信號(hào)上升時(shí)間、傳輸線的端接、短分支節(jié)線、容性分支節(jié)線、拐角和過孔、載重線、電感性間斷線、容性阻抗不連續(xù)、感性阻抗不連續(xù)等等。
反射抑制技術(shù)
消除反射現(xiàn)象的方法一般有：布線時(shí)的拓?fù)浞ê拖鄳?yīng)的端接技術(shù)。
常用布線時(shí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：點(diǎn)到點(diǎn)、菊花鏈、星形、分支和周期性負(fù)載等結(jié)構(gòu)。

• 點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只要在發(fā)送端或接收端進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ浼纯伞?br />
• 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)走線長(zhǎng)度延遲小于信號(hào)的上升或下降時(shí)間時(shí)，用菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)比較好，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)載都可以看作容性負(fù)載。菊花鏈同時(shí)也限制了信號(hào)的速率，只能工作在低速電路中。
  
• 使用星形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)每個(gè)分支都進(jìn)行均衡設(shè)計(jì),要求每個(gè)分支的接收端負(fù)載一致,并選擇適當(dāng)?shù)钠ヅ浞绞健?br />
• 遠(yuǎn)端分支(Far-end cluster)跟星形類似，只不過分支是靠近接收端。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,也要限制遠(yuǎn)端stub的長(zhǎng)度，使stub上的傳輸延時(shí)小于信號(hào)上升沿，這樣每個(gè)接收端都可以被看作為一個(gè)簡(jiǎn)單的容性負(fù)載。
  
• 周期性負(fù)載的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣要求每段stub的長(zhǎng)度足夠小,使stub上的傳輸延時(shí)小于信號(hào)上升沿。這種主干傳輸線和所有的stub段組合起來的結(jié)構(gòu)可以看作一段新的傳輸線，其特征阻抗要比原來主干傳輸線的特征阻抗小,傳輸速率也比原來的低，因此在進(jìn)行阻抗匹配時(shí)要注意。

傳輸線上的反射會(huì)對(duì)數(shù)字系統(tǒng)性能有很大的負(fù)面影響。為了最小化反射的負(fù)面影響，除了從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上消除相應(yīng)的影響外，還必須有相應(yīng)的控制措施?；旧嫌腥N方法減小這些反射的負(fù)面影響。第一種方法就是降低系統(tǒng)的頻率或增大信號(hào)的上升沿時(shí)間，以使傳輸線上的反射將在另一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)到線上之前達(dá)到穩(wěn)態(tài)。然而通常這是不可能的，對(duì)于高速系統(tǒng)，增大信號(hào)上升沿時(shí)間，將影響系統(tǒng)的性能。第二種方法是縮短PCB走線長(zhǎng)度以使反射在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。通常這是不實(shí)用的，因?yàn)橥ǔＰ酒δ艿膹?qiáng)大，管腳的增多，縮短布線必然導(dǎo)致PCB板層數(shù)的做多，這大大增加了成本。另外，在一些情況下縮短走線在物理實(shí)現(xiàn)上有時(shí)也是不可能的。當(dāng)總線頻率增加到一個(gè)周期內(nèi)反射不能達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，或者線長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，前兩種方法通常就有限了。第三種方法就是給傳輸線兩端終接一個(gè)等于特征阻抗的阻抗，并消除反射，即是所謂的高速電路設(shè)計(jì)的端接技術(shù)。端接技術(shù)分為單端端接技術(shù)和多負(fù)載端接技術(shù)。