PCB設計中的反射噪聲怎樣消除

每當我們在PCB上從一個數(shù)字集成電路向另一個發(fā)送信號時，我們就需要改變信號的狀態(tài)。這種狀態(tài)的變化和其伴隨的電磁場的變化可以描述為一種在電路中移動的波。波是一種將能量從一個位置通過導線的引導，傳遞到另一個位置的現(xiàn)象。

當導線的電位發(fā)生變化時，導線周圍的磁能會發(fā)生變化

當電磁波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的邊界時，就會產(chǎn)生反射噪聲。當波與邊界相交時，一部分能量會作為信號傳輸，另一部分能量會被反射回來。

當波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，

并非所有能量都被傳輸，會有一部分能量被反射回其源頭

對于電氣工程師來說，通常會把這種邊界出現(xiàn)的介質(zhì)叫做電阻抗來，也就是說，邊界是阻抗發(fā)生變化的地方。

阻抗由電阻和電抗元件組成，電阻以熱的形式耗散電路的能量。電路中的可回收能量存在于電磁場中，電磁場滲透并包圍著導體、電感器和電容器。

當電路中的阻抗發(fā)生變化時，就會發(fā)生一定程度的反射。反射波將返回到下一個邊界（阻抗變化的位置）并再次發(fā)生反射。

這幅一維波圖顯示了兩點之間反射的波脈沖，能量隨時間/距離衰減

該過程將無限期地持續(xù)，直到能量被電路吸收或消散到環(huán)境中。

為什么反射噪聲是一個問題

對于信號線而已，你的驅(qū)動器和接收器上都會有反射點。工程師的工作就是通過阻抗匹配來最小化反射信號的數(shù)量和最大化傳輸信號的數(shù)量。

如果上述情況不能實現(xiàn)，額外積累的能量需要在淹沒一個有噪聲的信號之前消散。

如果反射脈沖的能量在下一個脈沖產(chǎn)生之前沒有消散，能量將積累并疊加。幸運的是，信號通過電阻元件時能量會衰減。所以一個簡單的串聯(lián)電阻是可以消除大部分噪聲的。

評估數(shù)字信號中的噪聲

傅立葉定理告訴我們，任何波或波脈沖都可以分解成一系列正弦波和/或余弦波。如果上升/下降的時間足夠短，一個脈沖就可以容納幾十個小振幅波。

在下圖中，可以看到無阻尼數(shù)字信號轉(zhuǎn)換邏輯狀態(tài)從低到高。

當TI LightCrafter將邏輯狀態(tài)從低切換到高時

它捕捉到的無阻尼數(shù)字信號（黃色，通道1）

看下面的圖像，左邊的圖像顯示了一個復合波脈沖，它是通過原始波的振幅奇次諧波的連續(xù)疊加而產(chǎn)生的，我們可以將波形分解為一系列正弦波。

如果你真的設法制造駐波，那將會制造出巨大的噪聲源，可以壓倒附近的任何信號線。

這幅圖顯示，在特定波長上反射的波（橙色）可以與反射波（藍色）結(jié)合，形成高振幅駐波（綠色）。這種現(xiàn)象會發(fā)生在1/2波長的奇數(shù)整數(shù)倍處，波長是軌跡長度的兩倍。

如何降低反射噪聲

在設計中，有幾種方法可以用來調(diào)整反射噪聲。下面是一些你可以使用的技術(shù)的概述：

一、保持恒定阻抗

你應該考慮的第一件事是如何盡可能保持跟蹤的恒定阻抗。請記住：阻抗變化時會發(fā)生反射。

計算記錄道的阻抗

為了保持恒定的阻抗，你需要能夠計算跡線的阻抗。你的PCB程序應該允許你這樣做，但也有在線工具可用。一旦你確定了你的軌跡和空間寬度，就沿著你的路線保持住。

跨記錄道一致性

為保持差分對或單端走線的恒定阻抗，必須保持恒定的走線寬度，恒定間距以及與所有其他導線的恒定間隔。如果使用隨機跡線在阻抗控制對上進行路由，則將更改阻抗并創(chuàng)建反射點。

在阻抗變化的地方使用阻抗匹配電路

當你必須改變阻抗（例如從線性放大器到天線）時，使用阻抗匹配電路（用史密斯圖表、在線工具等計算）。

二、減少反射點

你還可以首考慮如何減少反射點的出現(xiàn)。

在板的邊緣觀察你的通孔

通孔可能是高速電路設計者的一個問題。如果通孔延伸到信號軌跡以外的未使用層，電路的阻抗會突然改變。在電路板邊緣的轉(zhuǎn)換處，當記錄道離開VIA（~50-150Ω）進入空氣（~377Ω）時，會出現(xiàn)阻抗不匹配。這會在該位置創(chuàng)建一個反射點，從而嚴重降低信號。

向后鉆你的通孔

解決方案是讓你的PCB制造商“反鉆”你的通孔，以從未使用的外層板上移除通孔，反鉆通孔顯著改善了邏輯轉(zhuǎn)換。

Sanmina Sci背面鉆孔過孔的圖像

三、減輕現(xiàn)有反射噪聲

使用阻尼電阻

另一項重要技術(shù)是在所有驅(qū)動信號源附近串聯(lián)使用阻尼電阻，并可以快速上升/下降。這通常被稱為緩沖電阻器。

發(fā)生的任何信號反射都將通過電阻快速衰減。這些電阻通常小于100Ω，靠近驅(qū)動信號源（例如，時鐘源、GPIO等）。

一般的想法是創(chuàng)建一個阻尼電路，在這個電路中，信號上升到適當?shù)倪壿嬰娖揭淮危瑳]有過度的波動。