信号完整性系列之“反射”

本文主要介绍反射的相关概念，反射产生的原因，反射的消除措施。
反射
反射就是在传输线上产生了回波。如果一条传输线满足长线并且没有被合理的端接，那么来自于驱动端的信号脉冲就会在接收端被反射，从而产生非预期的效果，使信号失真。反射是传输线的基本效应, 即当信号沿着传输线前行时，只要碰到阻抗不连续时会发生反射。

当信号在传输时碰到比目前阻抗高时，会发生正反射，使信号边沿的幅度增加，信号边沿出现过冲。从定义上来说，过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压(对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压；对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压)。
当信号在传输时碰到比目前阻抗低时，会发生负反射，使信号边沿的幅度减小，信号边沿出现台阶，即下冲。严重时将可能产生假时钟信号，导致系统的误读写操作。
如果在一个时钟周期中，反复的出现过冲和欠冲，我们就称之为振荡，也叫振铃。振荡是电路中因为反射而产生的多余能量无法被及时吸收的结果。

在PCB设计中，反射通常由传输线阻抗的不匹配造成，如：不同布线层阻抗不一样、T型连接、过孔、线宽的变化、器件的输入输出阻抗，封装寄生参数等等。当信号在传输线终端处的阻抗不连续点被反射时，信号的一部分将反射回源端。当反射信号到达源端时，若源端阻抗不等于传输线阻抗就将产生二次反射。因此若传输线的两端都存在阻抗不连续，信号将在驱动线路和接收线路之间来回反射。信号的反射波因传输线的损耗将最后达到直流稳态。下图是采用反弹图描述的信号传输过程的瞬时图：

反射产生的原因
产生反射现象的根本原因是信号传输通路的阻抗不连续或者不匹配，具体到实际的PCB设计中的因素包括信号上升时间、传输线的端接、短分支节线、容性分支节线、拐角和过孔、载重线、电感性间断线、容性阻抗不连续、感性阻抗不连续等等。
反射抑制技术
消除反射现象的方法一般有：布线时的拓扑法和相应的端接技术。
常用布线时的拓扑结构有：点到点、菊花链、星形、分支和周期性负载等结构。

• 点到点拓扑结构比较简单，只要在发送端或接收端进行适当的阻抗匹配即可。
  
• 当网络的整个走线长度延迟小于信号的上升或下降时间时，用菊花链拓扑结构会比较好，这时网络上的负载都可以看作容性负载。菊花链同时也限制了信号的速率，只能工作在低速电路中。
  
• 使用星形的拓扑结构时，对每个分支都进行均衡设计,要求每个分支的接收端负载一致,并选择适当的匹配方式。
  
• 远端分支(Far-end cluster)跟星形类似，只不过分支是靠近接收端。在这种拓扑结构中,也要限制远端stub的长度，使stub上的传输延时小于信号上升沿，这样每个接收端都可以被看作为一个简单的容性负载。
  
• 周期性负载的拓扑结构同样要求每段stub的长度足够小,使stub上的传输延时小于信号上升沿。这种主干传输线和所有的stub段组合起来的结构可以看作一段新的传输线，其特征阻抗要比原来主干传输线的特征阻抗小,传输速率也比原来的低，因此在进行阻抗匹配时要注意。

传输线上的反射会对数字系统性能有很大的负面影响。为了最小化反射的负面影响，除了从拓扑结构上消除相应的影响外，还必须有相应的控制措施。基本上有三种方法减小这些反射的负面影响。第一种方法就是降低系统的频率或增大信号的上升沿时间，以使传输线上的反射将在另一个信号驱动到线上之前达到稳态。然而通常这是不可能的，对于高速系统，增大信号上升沿时间，将影响系统的性能。第二种方法是缩短PCB走线长度以使反射在更短时间内达到稳态。通常这是不实用的，因为通常芯片功能的强大，管脚的增多，缩短布线必然导致PCB板层数的做多，这大大增加了成本。另外，在一些情况下缩短走线在物理实现上有时也是不可能的。当总线频率增加到一个周期内反射不能达到稳态时，或者线长较长时，前两种方法通常就有限了。第三种方法就是给传输线两端终接一个等于特征阻抗的阻抗，并消除反射，即是所谓的高速电路设计的端接技术。端接技术分为单端端接技术和多负载端接技术。