PCB中的信號反射

2021-01-02

印刷電路板（PCB）一直是科學(xué)家和工程師關(guān)注的焦點(diǎn)，他們提出了有關(guān)如何提高最終電子產(chǎn)品質(zhì)量的新穎想法。由于PCB在任何電子產(chǎn)品或設備的功能和性能中都起著(zhù)關(guān)鍵作用，因此，完美設計的PCB布局非常重要。設計工程師在設計PCB布局時(shí)必須考慮許多因素，而這些因素是由最終產(chǎn)品的要求決定的。 

如PCB的層數，PCB的尺寸和尺寸，要焊接在PCB上的電子組件的數量，組件的類(lèi)型，布線(xiàn)技術(shù)以及許多其他PCB設計因素。其中最重要的方面之一是“阻抗匹配”。用于射頻或微波電子等高頻應用的電子產(chǎn)品專(zhuān)用的PCB，那么PCB布局設計中最關(guān)鍵的部分是控制電路的阻抗。 

什么是信號反射？ 

我們熟悉反射現象，即當光線(xiàn)入射到反射鏡上時(shí)，光線(xiàn)會(huì )從反射鏡表面反射。另一個(gè)例子是水，當光進(jìn)入水中時(shí)，一些光被折射而一些光被反射。電信號也有同樣的現象。信號反射是信號源將信號跡線(xiàn)中的電信號傳輸到接收器/接收器，信號的某些部分從接收器/接收器反射回源的現象。該反射信號會(huì )導致信號失真和電路振蕩。 

為什么信號被反射..？

信號從接收器反射到發(fā)送器的原因是由于信號走線(xiàn)的特征阻抗不連續而引起的瞬態(tài)阻抗。如果從源或發(fā)射器到接收器或接收器的特性阻抗是一致的，則不會(huì )有信號反射。信號走線(xiàn)的特征阻抗不連續可能是由于信號走線(xiàn)的寬度，厚度，走線(xiàn)與相應參考平面之間的距離以及PCB基板材料的介電常數的變化所引起的。

信號反射的影響：   

振蕩：

幸運的是，從接收器反射的信號的強度總是小于主信號，因此反射的信號再次被發(fā)送，然后再次以較小的強度被反射，因此，這種信號被緩慢減小，但會(huì )引起暫時(shí)的振蕩。

超調和下調：

如果信號發(fā)送和接收之間的延遲時(shí)間短且信號發(fā)送速度更快，并且如果未給定上一個(gè)反射信號的時(shí)間/延遲減小而下一個(gè)信號被發(fā)送，則這將導致信號“峰值”累積并會(huì )導致反射信號過(guò)沖，從而使電路完全失效。同樣，如果累積了“谷”信號，則會(huì )導致反射信號下沖，從而削弱主信號，從而導致時(shí)鐘錯誤或對數字數據線(xiàn)（如SDI，SDO，SCLK等）的誤解。信號結束。 

信號失真：

如果來(lái)自接收器端的反射信號足夠強，則它們可能會(huì )改變數字電路的邏輯狀態(tài)，因此電路將以意想不到的方式工作。失真的信號對噪聲敏感。

信號反射如何計算？ 

從A到B的特征阻抗是連續的，但從點(diǎn)B到信號跡線(xiàn)的阻抗發(fā)生了變化，因此改變了向前傳輸的電壓Vo和電流Io 。從A到B的特性阻抗為Zi，而從B點(diǎn)的特性阻抗為Zo。將圖片保持在上方，對于B點(diǎn)從左看，我們可以使用歐姆定律寫(xiě)為

現在從右看B點(diǎn)，線(xiàn)阻抗現在為Zo，那么我們可以寫(xiě)為Vo 

現在有兩種情況

情況1：阻抗不連續且Zi = Zo

在這種情況下，如果Zi = Zo，則我們簡(jiǎn)單地得出Vo = Vi，意味著(zhù)傳輸的電壓與入射電壓Vi相同，并且沒(méi)有信號被反射。

情況2：間斷阻抗Zi ≠  Zo

現在，由于信號跡線(xiàn)的不連續阻抗不連續，入射信號并未完全向前傳輸。因此，入射信號的某些部分被反射回“ Vr”。 

因此我們可以寫(xiě)

 

現在，由于反射電流沿相反方向流動(dòng)，因此它將減去入射電流，因此 

反射信號沿著(zhù)阻抗為Zi的信號走線(xiàn)部分傳播，因此我們可以使用歐姆定律

將等式1、2和5放在3中，我們得到

 

但

 

因此 

 

要么 

 

該具有阻抗的項稱(chēng)為反射系數“ Rc”。 

Rc的值可以從-1到1。但是理想情況下Rc應該為零

減少信號反射的方法 

可以降低信號的傳輸速率或速度，以使反射信號的振蕩最小化并穩定電路的信號走線(xiàn)

的印刷電路板厚度相對保持為低，以便減小寄生電容

通過(guò)仔細布置多層HDI PCB中的層數來(lái)縮短信號傳輸走線(xiàn)的長(cháng)度。這樣可以有效降低寄生電感，減少信號之間的串擾

信號走線(xiàn)的匝數或彎曲數應保持盡可能低。信號線(xiàn)應該在一條直線(xiàn)，但如果彎曲是必要的，然后彎曲弧度應在45 ?。這有助于減少EMI輻射

將所有重要信號線(xiàn)布設在同一平面上，以最大程度地減少不必要的通孔。

分開(kāi)的接地層和電源層應用于分開(kāi)的穩壓電源，以降低多電源電路系統中的噪聲。這將增強信號完整性。

應用正確的路由拓撲

路由拓撲： 

并行拓撲：

在這種結構布置中，源同時(shí)將信號饋送到多個(gè)接收器或接收器。所有以并聯(lián)或星形連接的節點(diǎn)/接收器均與源同步。但是，每個(gè)節點(diǎn)/分支都需要單獨的終端電阻，并且必須與特性阻抗兼容。 

系列拓撲： 

這里，一個(gè)發(fā)射器或源以菊花鏈或串聯(lián)方式連接，一個(gè)的輸出或輸出連接到另一個(gè)的輸入?？梢栽隍寗?dòng)/發(fā)送/源極附近放置一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)電阻，以使接收器側的阻抗與特性阻抗兼容。菊花鏈的分支長(cháng)度應盡可能短。但是，在不同接收端接收的信號與主發(fā)送器不同步。

信號走線(xiàn)終止： 

有兩種方法可以終止信號跟蹤。