PCB中的信号反射

2021-01-02

印刷電(diàn)路板（PCB）一直是科(kē)學(xué)家和工程师关注的焦点，他(tā)们提出了有(yǒu)关如何提高最终電(diàn)子产品质量的新(xīn)颖想法。由于PCB在任何電(diàn)子产品或设备的功能(néng)和性能(néng)中都起着关键作用(yòng)，因此，完美设计的PCB布局非常重要。设计工程师在设计PCB布局时必须考虑许多(duō)因素，而这些因素是由最终产品的要求决定的。 

如PCB的层数，PCB的尺寸和尺寸，要焊接在PCB上的電(diàn)子组件的数量，组件的类型，布線(xiàn)技术以及许多(duō)其他(tā)PCB设计因素。其中最重要的方面之一是“阻抗匹配”。用(yòng)于射频或微波電(diàn)子等高频应用(yòng)的電(diàn)子产品专用(yòng)的PCB，那么PCB布局设计中最关键的部分(fēn)是控制電(diàn)路的阻抗。 

什么是信号反射？ 

我们熟悉反射现象，即当光線(xiàn)入射到反射镜上时，光線(xiàn)会从反射镜表面反射。另一个例子是水，当光进入水中时，一些光被折射而一些光被反射。電(diàn)信号也有(yǒu)同样的现象。信号反射是信号源将信号迹線(xiàn)中的電(diàn)信号传输到接收器/接收器，信号的某些部分(fēn)从接收器/接收器反射回源的现象。该反射信号会导致信号失真和電(diàn)路振荡。 

為(wèi)什么信号被反射..？

信号从接收器反射到发送器的原因是由于信号走線(xiàn)的特征阻抗不连续而引起的瞬态阻抗。如果从源或发射器到接收器或接收器的特性阻抗是一致的，则不会有(yǒu)信号反射。信号走線(xiàn)的特征阻抗不连续可(kě)能(néng)是由于信号走線(xiàn)的宽度，厚度，走線(xiàn)与相应参考平面之间的距离以及PCB基板材料的介電(diàn)常数的变化所引起的。

信号反射的影响：   

振荡：

幸运的是，从接收器反射的信号的强度总是小(xiǎo)于主信号，因此反射的信号再次被发送，然后再次以较小(xiǎo)的强度被反射，因此，这种信号被缓慢减小(xiǎo)，但会引起暂时的振荡。

超调和下调：

如果信号发送和接收之间的延迟时间短且信号发送速度更快，并且如果未给定上一个反射信号的时间/延迟减小(xiǎo)而下一个信号被发送，则这将导致信号“峰值”累积并会导致反射信号过冲，从而使電(diàn)路完全失效。同样，如果累积了“谷”信号，则会导致反射信号下冲，从而削弱主信号，从而导致时钟错误或对数字数据線(xiàn)（如SDI，SDO，SCLK等）的误解。信号结束。 

信号失真：

如果来自接收器端的反射信号足够强，则它们可(kě)能(néng)会改变数字電(diàn)路的逻辑状态，因此電(diàn)路将以意想不到的方式工作。失真的信号对噪声敏感。

信号反射如何计算？ 

从A到B的特征阻抗是连续的，但从点B到信号迹線(xiàn)的阻抗发生了变化，因此改变了向前传输的電(diàn)压Vo和電(diàn)流Io 。从A到B的特性阻抗為(wèi)Zi，而从B点的特性阻抗為(wèi)Zo。将图片保持在上方，对于B点从左看，我们可(kě)以使用(yòng)欧姆定律写為(wèi)

现在从右看B点，線(xiàn)阻抗现在為(wèi)Zo，那么我们可(kě)以写為(wèi)Vo 

现在有(yǒu)两种情况

情况1：阻抗不连续且Zi = Zo

在这种情况下，如果Zi = Zo，则我们简单地得出Vo = Vi，意味着传输的電(diàn)压与入射電(diàn)压Vi相同，并且没有(yǒu)信号被反射。

情况2：间断阻抗Zi ≠  Zo

现在，由于信号迹線(xiàn)的不连续阻抗不连续，入射信号并未完全向前传输。因此，入射信号的某些部分(fēn)被反射回“ Vr”。 

因此我们可(kě)以写

 

现在，由于反射電(diàn)流沿相反方向流动，因此它将减去入射電(diàn)流，因此 

反射信号沿着阻抗為(wèi)Zi的信号走線(xiàn)部分(fēn)传播，因此我们可(kě)以使用(yòng)欧姆定律

将等式1、2和5放在3中，我们得到

 

但

 

因此 

 

要么 

 

该具有(yǒu)阻抗的项称為(wèi)反射系数“ Rc”。 

Rc的值可(kě)以从-1到1。但是理(lǐ)想情况下Rc应该為(wèi)零

减少信号反射的方法 

可(kě)以降低信号的传输速率或速度，以使反射信号的振荡最小(xiǎo)化并稳定電(diàn)路的信号走線(xiàn)

的印刷電(diàn)路板厚度相对保持為(wèi)低，以便减小(xiǎo)寄生電(diàn)容

通过仔细布置多(duō)层HDI PCB中的层数来缩短信号传输走線(xiàn)的長(cháng)度。这样可(kě)以有(yǒu)效降低寄生電(diàn)感，减少信号之间的串扰

信号走線(xiàn)的匝数或弯曲数应保持尽可(kě)能(néng)低。信号線(xiàn)应该在一条直線(xiàn)，但如果弯曲是必要的，然后弯曲弧度应在45 Ø。这有(yǒu)助于减少EMI辐射

将所有(yǒu)重要信号線(xiàn)布设在同一平面上，以最大程度地减少不必要的通孔。

分(fēn)开的接地层和電(diàn)源层应用(yòng)于分(fēn)开的稳压電(diàn)源，以降低多(duō)電(diàn)源電(diàn)路系统中的噪声。这将增强信号完整性。

应用(yòng)正确的路由拓扑

路由拓扑： 

并行拓扑：

在这种结构布置中，源同时将信号馈送到多(duō)个接收器或接收器。所有(yǒu)以并联或星形连接的节点/接收器均与源同步。但是，每个节点/分(fēn)支都需要单独的终端電(diàn)阻，并且必须与特性阻抗兼容。 

系列拓扑： 

这里，一个发射器或源以菊花(huā)链或串联方式连接，一个的输出或输出连接到另一个的输入。可(kě)以在驱动/发送/源极附近放置一个简单的串联電(diàn)阻，以使接收器侧的阻抗与特性阻抗兼容。菊花(huā)链的分(fēn)支長(cháng)度应尽可(kě)能(néng)短。但是，在不同接收端接收的信号与主发送器不同步。

信号走線(xiàn)终止： 

有(yǒu)两种方法可(kě)以终止信号跟踪。