應(yīng)用電路中的阻抗匹配與信號(hào)完整性

引子

業(yè)界經(jīng)常流行這么一句話：“有兩種設(shè)計(jì)師，一種是已經(jīng)遇到了信號(hào)完整性問題，另一種是即將遇到信號(hào)完整性問題”。

借這句話開始本文要介紹的信號(hào)完整性內(nèi)容。

什么是信號(hào)完整性?

通俗來講，信號(hào)在互連線的傳輸過程中，會(huì)受到互連線等因素的相互作用而使得信號(hào)發(fā)生波形畸變的一種現(xiàn)象，這時(shí)可以說信號(hào)在傳輸中被破壞了，變得“不完整”。信號(hào)完整性沒有一個(gè)唯一的規(guī)范定義，從廣義上講，指的是信號(hào)在高速產(chǎn)品中由互連線引起的所有問題。

高速數(shù)字系統(tǒng)中，信號(hào)完整性起著重要作用。

如果信號(hào)完整性有問題，可能會(huì)造成電路無法正常工作。影響信號(hào)完整性的關(guān)鍵電氣特性就是互連線的阻抗，它是解決信號(hào)完整性的方法核心，相關(guān)文章可以移步此處:認(rèn)識(shí)傳輸線的三個(gè)特性，特性阻抗、反射、阻抗匹配。

阻抗

電路中電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗單位為歐姆，常用Z表示，表達(dá)式是復(fù)數(shù):

其中實(shí)部為電阻和虛部表示電抗(容抗和感抗)。為什么用復(fù)數(shù)?電阻代表對(duì)信號(hào)幅值的衰減，電抗代表對(duì)信號(hào)相位的改變。以下分別為電阻，電容，電感部分的阻抗：

1 特性電阻

特性電阻是與傳輸線相關(guān)的概念，信號(hào)在傳輸線上的實(shí)際傳輸過程中，會(huì)受到傳輸線上寄生參數(shù)(如寄生電感、寄生電阻、寄生電容)的影響，特性阻抗就是綜合傳輸線場(chǎng)景下跟這些寄生參數(shù)合成的阻抗。

用下圖模型來表示單位長(zhǎng)度的傳輸線：

此模型下的阻抗表達(dá)式為：

在實(shí)際的PCB應(yīng)用中傳輸線的電阻部分，可以忽略不計(jì)，即上式中的R和G為0，PCB傳輸線特性阻抗的一般表達(dá)式：

L是單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電感，C是單位長(zhǎng)度傳輸線的固有電容

傳輸線阻抗在PCB行業(yè)通常將傳輸線的特性阻抗簡(jiǎn)稱阻抗。

2 阻抗匹配

信號(hào)在傳輸線上傳輸過程中會(huì)受到傳輸線的阻抗，任何阻抗的突變都會(huì)引起信號(hào)的反射和失真，過度的反射和失真會(huì)引發(fā)信號(hào)完整性問題。阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線跟負(fù)載之間達(dá)到一種適合的搭配。

所以說，阻抗匹配對(duì)于一個(gè)高速數(shù)字系統(tǒng)是十分重要的。阻抗匹配主要有兩點(diǎn)作用，一是調(diào)整負(fù)載功率，一是抑制信號(hào)反射。相關(guān)文章推薦:怎么進(jìn)行阻抗匹配？可以用水在管道流動(dòng)來類比信號(hào)在傳輸線上傳輸，管道粗細(xì)不一致會(huì)導(dǎo)致在關(guān)節(jié)處損失水流的動(dòng)能，同樣的，傳輸線阻抗不匹配會(huì)造成電路能量嚴(yán)重浪費(fèi)。

反射在上文中提到了因阻抗不匹配而引起信號(hào)反射。 為了解釋信號(hào)反射我們可以用光在不同介質(zhì)中傳播來形象的介紹，光從空氣射向水面或者玻璃時(shí)，有一部分光被反射，另一部分光會(huì)折射進(jìn)入另一種介質(zhì)，如下圖：

同樣的，信號(hào)也一樣，如果傳輸線的阻抗不一致，在阻抗跳變的地方，一部分能量繼續(xù)傳輸，一部分能量會(huì)被反射回去，如下圖:

反射系數(shù)的表達(dá)式為：

反射會(huì)造成信號(hào)出現(xiàn)過沖(Overshoot)、振鈴(Ringing)、邊沿遲緩(回勾現(xiàn)象)。過沖是振鈴的欠阻尼狀態(tài)，邊沿遲緩是振鈴的過阻尼狀態(tài)。下圖為信號(hào)反射的三種表現(xiàn)形式：

1 過沖和下沖

過沖指的是第一個(gè)峰值或谷值超過設(shè)定電壓值，下沖是指下一個(gè)谷值或峰值，對(duì)于上升沿來說,過沖是指最高電壓;對(duì)于下降沿來說,過沖是指最低電壓。如下圖所示：

過沖嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起保護(hù)二極管工作，導(dǎo)致過早的失效，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞器件。而過分的下沖，能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，這樣可能會(huì)給器件帶來潛在的累積性傷害，縮短其工作壽命，從而影響產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。一般信號(hào)的發(fā)送端的阻抗較低，信號(hào)接收端的阻抗較高，如果發(fā)送端的與接收端的阻抗不匹配，發(fā)送的信號(hào)會(huì)在發(fā)送端和接收端之間來回反射，從而導(dǎo)致信號(hào)的反射出現(xiàn)過沖和下沖。

解決過沖的一般方法是匹配，或叫端接( Termination)。匹配的中心思想是消滅信號(hào)路徑端點(diǎn)的阻抗突變。

下圖是沒有終端電阻和有終端電阻的波形圖對(duì)比：

2 振鈴

上面小節(jié)介紹了過沖和下沖，如果過沖和下沖反復(fù)就會(huì)出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，過沖往往伴隨有振鈴,或者說,過沖是振鈴的一部分。振鈴產(chǎn)生的第一次峰值電壓,就是過沖。為什么要將過沖和振鈴分開來講，是因?yàn)樗麄兊奈：Σ煌?，振鈴除了具有過沖的危害之外還有它的波動(dòng)可能會(huì)多次超過閾值判定電壓造成誤判，并且會(huì)急劇地增加功耗,影響器件壽命。下圖是振鈴產(chǎn)生的原因：

下面是振鈴的波形的表現(xiàn)形式：

振鈴現(xiàn)象的根本原因是由信號(hào)反射引起的，其本質(zhì)仍然是阻抗不匹配，所以減小或者消除振鈴的解決方式跟處理過沖和下沖無異，必須要進(jìn)行阻抗匹配端接。相關(guān)電路設(shè)計(jì)文章，請(qǐng)移步:信號(hào)反射問題與相關(guān)電路設(shè)計(jì)技巧。在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，會(huì)遇到多種信號(hào)完整性問題。

典型問題有如下幾種：反射、串?dāng)_、電源/地噪、時(shí)序等，關(guān)于地噪聲的文章:認(rèn)識(shí)地彈（地噪聲）。其中，發(fā)射和串?dāng)_是引起信號(hào)完整性問題的兩大主要原因。

串?dāng)_在上面我們介紹了信號(hào)反射是因?yàn)閭鬏斁€的阻抗突變導(dǎo)致的，而串?dāng)_是信號(hào)線間互感和互容引起的噪聲，是由同一PCB板上的兩條信號(hào)線與地平面引起的，原理是在高頻時(shí)PCB上的任何兩個(gè)器件或?qū)Ь€之間都存在互容和互感，當(dāng)一個(gè)器件或一條信號(hào)線上的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，其變化會(huì)通過互容和互感耦合到其他器件或信號(hào)線，即串?dāng)_耦合。當(dāng)耦合信號(hào)或串?dāng)_信號(hào)足夠大時(shí)，接收串?dāng)_信號(hào)的信號(hào)線上就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性問題。

一個(gè)信號(hào)受到干擾信號(hào)的串?dāng)_影響會(huì)發(fā)生變形，讓其眼圖閉合，相關(guān)文章請(qǐng)移步:認(rèn)識(shí)眼圖是什么。在工程中我們希望能夠盡量張開的眼圖，因?yàn)檫@樣才能有足夠的余量保證無誤的傳輸數(shù)據(jù)，相反的，如果眼圖閉合會(huì)使得余量變得很小而出現(xiàn)結(jié)果錯(cuò)誤。

引起串?dāng)_的原因有很多，例如PCB布線的長(zhǎng)度、間距、層疊、參考地平面的狀況、端接方式、驅(qū)動(dòng)/接受端的電電氣特性等因素。解決方式也主要針對(duì)上面提到的這些因素來處理。

信號(hào)完整性問題解決方法

在介紹如何解決信號(hào)完整性問題前首先回顧下引起信號(hào)完整性的因素，基本因素就是阻抗不匹配，然后是串?dāng)_，電源完整性，時(shí)序等。在實(shí)際的信號(hào)完整性分析中，需要對(duì)引發(fā)信號(hào)完整性的根源進(jìn)行描述，例如：

a.信號(hào)上升沿過短

b.阻抗匹配不合理

c.PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

d.電源完整性問題

以下簡(jiǎn)單匯總了常見的信號(hào)完整性問題，并列出了引起問題的原因和相應(yīng)的解決方法方法：

審核編輯：郭婷