鏈路上小段線的阻抗突變到底會不會影響信號質量？

一博高速先生成員：劉春

在進行PCB設計時，相信有經驗的工程師都遇到過這種情況，在布線過程中，有時候由于電路結構或空間限制，需要中途某段走線變粗或變細，如串接電阻電容、下孔、BGA出線區域或走線密集區域等，但這樣做的結果就導致信號走線阻抗不連續，嚴重的甚至會影響信號的質量。那么當面臨這類情況時，我們該如何更好的去把控好設計以避免或減小對信號質量造成影響呢？

本文將利用SIGRITY仿真軟件對信號在傳輸線上出現一段串聯走線阻抗突變的情況進行仿真分析，了解串聯走線阻抗突變的情況是如何影響信號質量的，方便我們在設計中遇到類似阻抗突變時能游刃有余的順利完成設計。

搭建簡易的仿真拓撲如下圖所示：

其中激勵源Vs的內阻為50ohm，TL,TL2均為50ohm阻抗，延時1ns的均勻傳輸線，TL1作為變量，模擬在PCB布線時發生阻抗突變的線段，負載Resistor為100K的電阻相當于開路端接。

為了讓我們更直觀的了解在傳輸線路中串聯走線阻抗突變對信號的影響，基于上面搭建的仿真拓撲設置如下：

激勵源Vs設置幅度為1V的理想方波；

TL1設置阻抗為30ohm，延時0.2ns;

仿真結果：

根據仿真結果我們可以看到，在當前模型配置下，信號最差時電平幅度跌到了0.765V，已經嚴重影響了信號的質量。為了更方便大家理解該突變對信號的影響，我們還可以用反射原理進行計算分析，看是否和我們的仿真結果相吻合。這里關于反射理論的知識就不再闡述，感興趣的朋友可以關注高速先生前幾期的文章，里面有詳細的描述哈！

分析如下：

0ns:

第一次反射，激勵源內阻分壓，A點電壓0.5V；

1ns:

第二次反射，B點分界，反射系數-0.25，TL1傳輸線上電壓0.375V；

1.2ns：

第三次反射，C點分界，反射系數0.25，TL2傳輸線上電壓0.46875V；

2.2ns：

第四次反射，D點分界，反射系數1，負載接受電壓電壓0.937V；

4.2ns:

由負載反射回去的電壓在C點分界再反射回來，受反射的影響，此時負載接收到的電壓變為0.765V；

……

可見仿真結果與我們計算分析結果是相吻合的。

通過上面的仿真例子和分析，相信大家對傳輸線中串聯走線阻抗突變是如何影響信號質量的原理都有一定的了解了哈！下面我們再來仿真一下其他阻抗突變的情況，觀察是否能發現一些有價值的規律。同樣基于搭建的仿真拓撲設置如下：

激勵源Vs設置幅度為1V的理想方波；

TL1設置阻抗分別為30,40,50,60,70ohm，延時0.2ns;

仿真結果：

從仿真結果來看，我們可以知道當串聯走線阻抗突變越大，對信號質量的影響也就越大。因此在PCB布線時，要盡可能的保證傳輸線阻抗連續或減小阻抗的突變程度。

當然，上面的仿真研究都是基于不存于現實的理想方波的，接下來我們來看看信號上升時間不為0時又是怎樣的？同樣基于搭建的仿真拓撲設置如下：

激勵源Vs設置幅度為1V，上升時間RT=1ns的脈沖；

TL1設置阻抗為30ohm，延時0.2ns; 

仿真結果與理想方波仿真結果比較：

根據仿真結果可知，當信號上升時間為1ns時，最差的信號電平為0.893V，信號質量相較于理想方波的0.765V有了明顯的改善，那是否可認為傳輸線上串聯走線阻抗突變對信號質量的影響和信號的上升邊有關呢？接下來我們繼續做進一步仿真驗證，觀察之間是否存在關聯。同樣基于搭建的仿真拓撲設置如下：

激勵源Vs設置幅度為1V，上升時間RT分別設置為0.5ns,1ns,1.5ns的脈沖；

TL1設置阻抗為30ohm，延時0.2ns;

仿真結果：

仿真結果顯示，

RT=0.5ns時，信號最差電平0.807V；

RT=1.0ns時，信號最差電平0.893V；

RT=1.5ns時，信號最差電平0.928V。

可知，當信號的上升時間越長，串聯走線阻抗突變段對信號質量的影響越小，信號質量就越好。因為阻抗突變段前后分界的反射是大小相等，方向相反的，在經歷兩倍的突變延時后會相互抵消，可是在沒抵消之前這兩倍的延時內信號質量受反射影響會變差，但如果信號的上升時間足夠大，就能夠把該影響給減弱甚至幾乎完全掩蓋掉。 

然而在實際設計中，我們信號的上升時間基本都是固定的，除了減小阻抗的突變之外還有哪些因素可以幫助我們去改善突變線段對信號質量的影響呢？

相信大家都已經猜到了哈！那就是我們阻抗突變段的長度，即信號在阻抗突變段傳輸時的延時大小。話不多說，我們直接來看仿真驗證吧！同樣基于搭建的仿真拓撲設置如下：

激勵源Vs設置幅度為1V，上升時間RT=1ns的脈沖；

TL1設置阻抗為30ohm，延時分別為0.01ns,0.1ns,0.2n,0.3ns;

仿真結果：

仿真結果顯示，

延時=0.01ns時，信號最差電平0.994V；

延時=0.1ns時，信號最差電平0.946V；

延時=0.2ns時，信號最差電平0.893V；

延時=0.3ns時，信號最差電平0.848V。

說明，阻抗突變段的長度越長，串聯走線阻抗突變段對信號質量的影響越大，當突變長度足夠短時，影響可以忽略不計。這與信號上升時間越大，串聯走線阻抗突變段對信號質量的影響越小是同樣的原理。

最后，綜合上面的仿真結果和分析，我們可以對串聯走線阻抗突變對信號質量的影響做如下總結：

（1）串聯走線阻抗突變越大，對信號質量的影響也就越大。因此在進行PCB布線設計時，我們的串聯走線阻抗突變應盡可能的小；

（2）信號的上升時間越長，串聯走線阻抗突變段對信號質量的影響越小，即信號質量就越好。

（3）阻抗突變段的長度越長，串聯走線阻抗突變段對信號質量的影響越大，當突變長度足夠短時，影響可以忽略不計。因此在進行布線設計時，我們應該把走線的阻抗突變段盡可能的控制在較短的長度內，當然，具體的長度還要結合對應信號的上升時間進行評估。