如何解決PCB傳輸線之SI反射問題

1. SI問題的成因

SI問題最常見的是反射，我們知道PCB傳輸線有“特征阻抗”屬性，當互連鏈路中不同部分的“特征阻抗”不匹配時，就會出現(xiàn)反射現(xiàn)象。

SI反射問題在信號波形上的表征就是：上沖/下沖/振鈴 等。

下圖所示是一個典型的高速信號互連鏈路，信號傳輸路徑包括：①發(fā)送端芯片(封裝與PCB過孔)②子卡PCB走線③子卡連接器④背板PCB走線⑤對側(cè)子卡連接器⑥對側(cè)子卡PCB走線⑦AC耦合電容⑧接收端芯片(封裝與PCB過孔)

圖1 典型高速信號互連鏈路

可以看出，實際電子產(chǎn)品的高速信號互連鏈路是比較復(fù)雜的，而且通常在不同部件連接點處是會產(chǎn)生阻抗失配的問題、從而造成信號的發(fā)射。

高速互連鏈路常見的阻抗不連續(xù)點：

(1) 芯片封裝：通常芯片封裝基板內(nèi)的PCB走線線寬會比普通PCB板細很多，阻抗控制不容易;

(2) PCB過孔：PCB過孔通常為容性效應(yīng)，特征阻抗偏低，PCB設(shè)計最應(yīng)該關(guān)注與優(yōu)化;

(3) 連接器：連接器內(nèi)銅互連鏈路的設(shè)計要同時受到機械可靠性與電氣性能的雙重影響，在兩者之間尋求平衡;

PCB走線反而一般情況下阻抗控制比其他互連部件更容易，重點關(guān)注層疊設(shè)計、板材選擇，但通常PCB加工板廠的阻抗控制公差為10%，要達到5~8%的阻抗公差控制往往需要花費更高的加工成本。

2. 傳輸線反射基礎(chǔ)理論

當驅(qū)動器加信號到傳輸線時，信號的幅度依賴于驅(qū)動器的電壓與電阻和傳輸線阻抗。驅(qū)動器上的初始電壓通過自身電阻和傳輸線阻抗的分壓來控制。

下圖描繪了加在長的傳輸線上的初始波形，初始的電壓Vi傳送到傳輸線上直到到達末端，Vi的幅度通過驅(qū)動器電阻和傳輸線阻抗的分壓來決定：

圖2 信號波形在長傳輸線的傳播

如果傳輸線的末端端接一個阻抗，而且這個阻抗與線的阻抗精確的匹配，那么幅度為Vi的信號將被端接到地，電壓Vi將仍保持在線上直到信號源轉(zhuǎn)換。在這種情況下Vi是dc穩(wěn)態(tài)值。否則，如果傳輸線的末端的阻抗不是線的特征阻抗，信號的一部分端接到地，信號的其余部分將被反射到傳輸線回到源。反射回的信號的量通過反射系數(shù)決定，反射系數(shù)由確定的點的反射電壓和輸入電壓的比決定。這個點定義為傳輸線上阻抗不連續(xù)。阻抗不連續(xù)可以是不同特征阻抗的傳輸線的一部分，也可以是端接電阻或者是到芯片緩沖器上的輸入阻抗。

反射系數(shù)的計算：

其中Z0為傳輸線標準阻抗，Zt為傳輸線上某個不連續(xù)點的阻抗。

等式假設(shè)信號在特征阻抗為Z0的傳輸線上傳送遇到了不連續(xù)的阻抗Zt。注意如果Z0=Zt，反射系數(shù)為0，意味著沒有反射。Z0= Zt這種情況就稱為匹配的端接。

如下圖所示當輸入波形遇到端接Zt，信號的一部分Viρ被反射回源端并且加在輸入波形上，整個輸入信號波形幅度為Viρ+Vi。反射的部分可能從源產(chǎn)生另一個反射，反射和逆反射一直持續(xù)直到傳輸線穩(wěn)定。

圖3 阻抗不匹配情況下的信號反射

當傳輸線完全匹配、短路、開路時的反射系數(shù)如下圖所示：

圖4 (a)端接(b)短路(c)開路 三種情況下的反射系數(shù)

在實際應(yīng)用的互連鏈路中，理想的傳輸線是不存在的，也不可能存在完全匹配，因此信號的反射是必然存在的，設(shè)計的關(guān)鍵在于如何把互連鏈路中的各個部件阻抗差距盡量縮小，從而減小反射信號幅度、避免多級反射對信號質(zhì)量造成致命影響。