詳細分析信號反射產生的機理和現象

高速數字信號的反射是影響現代數字電路設計的重要因素之一 嚴重的反射將破壞信號完整性，并引起過沖現象，從而出現錯誤的數字邏輯和毀壞器件。 該文詳細分析了信號反射產生機理和現象，并給出了反射解決的方案 。

1 信號反射現象

1.1 反射基本概念

反射就是在傳輸線上的回波。如果一傳輸線電尺寸滿足長線時，且沒有被合理的端接（終端匹配），那么來自于驅動端的信號脈沖在接收端被反射，從而引發不預期效應，使信號輪廓失真。反射是傳輸線的基本效應，即當信號沿著傳輸線前行時 ， 碰到阻抗不連續時會發生反射：

1）當信號在傳輸時碰到比目前阻抗高時，會發生正向反射，使信號邊沿的幅度增加，信號邊沿出現過沖 。從定義上來說，過沖就是指接收信號的第一個峰值或谷值超過設定電壓----對于上升沿是指第一個峰值超過最高電壓；對于下降沿是指第一個谷值超過最低電壓。

2）當信號在傳輸時碰到比目前阻抗低時，會發生負向反射，使信號邊沿的幅度減小，信號邊沿出現臺階，即欠沖 。嚴重時將可能產生假時鐘信號，導致系統的誤讀寫操作。

如果在一個時鐘周期中，反復的出現過沖和欠沖，我們就稱之為振蕩，也叫 振鈴 。振蕩是路中因為反射而產生的多余能量無法被及時吸收的結果。下圖所示的波形就是一個明顯在過沖，欠沖 ， 振蕩的例子 。

在PCB設計中，反射通常由連線阻抗的不匹配造成，如不同布線層阻抗不一樣 、 T 型接、過孔、線寬的變化、器件的輸入輸出阻抗，封裝寄生參數等等。 下圖所示的理想傳輸線模型來分析與信號反射有關的重要參數。

理想傳輸線 內阻為R0的數字信號驅動源Vs 驅動，傳輸線的特性阻抗為 Z0，負載阻抗 RL。理想的情況是當R0= Z0= RL 時，傳輸線的阻抗是連續的，不會發生任何反射，但能量半消耗在源內阻 R0上， 另一半消耗在負載電阻 R1上（傳輸線無直流損耗，即無耗傳輸線）。

如果負載阻抗大于傳輸線的特性阻抗 Z0欠阻尼 。

如果負載阻抗小于傳輸線的特性阻抗，即 Z0>RL，負載試圖消耗比當前源端提供的能量更多的能量，稱為 過阻尼 。欠阻尼和過阻尼都會產反向傳播的波形，某些情況下在傳輸線上會形成駐波 。

當 Z0=RL 時，負載完全吸收到達的能量，沒有任何信號反射回源端，稱為臨界阻尼 。從系統設計的角度來看，由于臨界阻尼情況很難滿足，所以最可靠的方式輕微的過阻尼，因為這種情況沒有能量反射回源端 。

負載端阻抗與傳輸線阻抗不匹配會在負載端（B點）反射一部分信號回源端（ A 點），反射電壓信號的幅值由負載反射系數定，見下式：

如果傳輸線由兩段不同特性阻抗的傳輸線組成，則連接點處也會產生信號的反射。傳輸線上出現的分叉點就是這樣一個阻抗不連續點（斷點）。

** 反射信號產生的主要原因：過長的走線；未被匹配終結的傳輸線，過量電容或電感以及阻抗失配。**

當信號在線終端處的阻抗不連續點被反射時，信號的一部分將反射回源頭。當反射信號達源頭時，若源頭端阻抗不等于傳輸線阻抗就將產生二次反射 。因此若傳輸線的兩端都存在阻抗不連續，信號將在驅動線路和接收線路之間來回反射 。信號的反射波因傳輸線的損耗將最后達到直流穩態 。

2 產生反射現象的因素

產生反射現象的因素有信號上升沿時間、傳輸線的端接、短分支節線、容性分支節線、拐角和通孔、載重線、電感性間斷線等。

2.1 上升時間對反射的影響

當上升時間變得大于傳輸線延遲（TD）的兩倍時，傳輸線為短線，上升時間對波的形狀會存在影響 。因為信號到達負載端時，產生了反射，反射信號回到源端，但此時源端的信號正處于上升階段，這樣的反射會在信號緩慢的上升過程中被吸收掉，從而不會影響信號電平的幅值。

但如果當上升時間小于TD的兩倍時，上升時間開始對波的形狀就會產生重要影響 。下兩圖分別顯示了欠載和過載傳輸線上不同上升沿時間的影響 。

2.2 串聯傳輸線的反射影響

電路板上走線的寬度必須被壓縮，因為它可能經過通孔或在板密集區域的周圍布線 。如果走線的線寬有一小段發生變化，特性阻抗就會改變 ，通常是增加 。

有三個特征會決定短的傳輸線片斷的影響：不連續性的時延（TD），不連續性的特性阻抗（Z0），信號的上升時間 （RT） 。當時延與上升時間相比很長時，反射系數將飽和。發射系數最大值與不連續性的反射有關 ：

阻抗的不連續會導致信號的振蕩，因此設計互連線時必須具有均勻的特性阻抗。為了保證反射噪聲小于信號擺幅的5%，要求特性阻抗的變化要小于10%，這就是為什么電路板上對阻抗的控制在±10%。

2.3 短分支傳輸線的反射影響

分析短線的影響是比較復雜的，因為要考慮很多反射的問題。當信號離開驅動端，首先會遇到分支點 。這里我們會看到兩段傳輸線并聯產生一個低的阻抗，則一個負反射將會返回到源端 。兩個重要的因素可決定分支對信號完整性的影響 ， 即信號的上升時間和分支的長度。

根據經驗規則，分支的長度保持小于上升時間延展的20%，則分支的影響就不重要 。反之對信號就會產生影響。經驗規則用式子來表示：

其中 Lstubmax 為可接受的分支長度的最大值，單位為 inch; RT 為信號的上升時間，單位為s；例如，對于1ns 的的上升時間，應保持分支長度小于 1inch。很明顯 ， 當上升時間變短時，將分支長度減小，使其不影響到信號的完整性，就變得越來越困。