信號(hào)完整性（一）：PCB走線中途容性負(fù)載反射

首先按看一下對(duì)信號(hào)發(fā)射端的影響。當(dāng)一個(gè)快速上升的階躍信號(hào)到達(dá)電容時(shí)，電容快速充電，充電電流和信號(hào)電壓上升快慢有關(guān)，充電電流公式為：I=C*dV/dt。電容量越大，充電電流越大，信號(hào)上升時(shí)間越快，dt越小，同樣使充電電流越大。

我們知道，信號(hào)的反射與信號(hào)感受到的阻抗變化有關(guān)，因此為了分析，我們看一下，電容引起的阻抗變化。在電容開(kāi)始充電的初期，阻抗表示為：

這里dV實(shí)際上是階躍信號(hào)電壓變化，dt為信號(hào)上升時(shí)間，電容阻抗公式變?yōu)椋?/p>

從這個(gè)公式中，我們可以得到一個(gè)很重要的信息，當(dāng)階躍信號(hào)施加到電容兩端的初期，電容的阻抗與信號(hào)上升時(shí)間和本身的電容量有關(guān)。

通常在電容充電初期，阻抗很小，小于走線的特性阻抗。信號(hào)在電容處發(fā)生負(fù)反射，這個(gè)負(fù)電壓信號(hào)和原信號(hào)疊加，使得發(fā)射端的信號(hào)產(chǎn)生下沖，引起發(fā)射端信號(hào)的非單調(diào)性。

對(duì)于接收端，信號(hào)到達(dá)接收端后，發(fā)生正反射，反射回來(lái)的信號(hào)到達(dá)電容位置，那個(gè)樣發(fā)生負(fù)反射，反射回接收端的負(fù)反射電壓同樣使接收端信號(hào)產(chǎn)生下沖。

為了使反射噪聲小于電壓擺幅的5%(這種情況對(duì)信號(hào)影響可以容忍)，阻抗變化必須小于10%。那么電容阻抗應(yīng)該控制在多少?電容的阻抗表現(xiàn)為一個(gè)并聯(lián)阻抗，我們可以用并聯(lián)阻抗公式和反射系數(shù)公式來(lái)確定它的范圍。對(duì)于這種并聯(lián)阻抗，我們希望電容阻抗越大越好。假設(shè)電容阻抗是PCB走線特性阻抗的k倍，根據(jù)并聯(lián)阻抗公式得到電容處信號(hào)感受到的阻抗為：

阻抗變化率為：

，即

，也就是說(shuō)，根據(jù)這種理想的計(jì)算，電容的阻抗至少要是PCB特性阻抗的9倍以上。實(shí)際上，隨著電容的充電，電容的阻抗不斷增加，并不是一直保持最低阻抗，另外，每一個(gè)器件還會(huì)有寄生電感，使阻抗增加。因此這個(gè)9倍限制可以放寬。在下邊的討論中假設(shè)這個(gè)限制是5倍。

有了阻抗的指標(biāo)，我們就可以確定能容忍多大的電容量。電路板上50歐姆特性阻抗很常見(jiàn)，我就用50歐姆來(lái)計(jì)算。

得出：

即在這種情況下，如果信號(hào)上升時(shí)間為1ns，那么電容量要小于4皮法。反之，如果電容量為4皮法，則信號(hào)上升時(shí)間最快為1ns，如果信號(hào)上升時(shí)間為0.5ns，這個(gè)4皮法的電容就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。

這里的計(jì)算只不過(guò)是為了說(shuō)明電容的影響，實(shí)際電路中情況十分復(fù)雜，需要考慮的因素更多，因此這里計(jì)算是否精確沒(méi)有實(shí)際意義。關(guān)鍵是要通過(guò)這種計(jì)算理解電容是如何影響信號(hào)的。我們對(duì)電路板上每一個(gè)因素的影響都有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)后，就能為設(shè)計(jì)提供必要的指導(dǎo)，出現(xiàn)問(wèn)題就知道如何去分析。精確的評(píng)估需要用軟件來(lái)仿真。

總結(jié)：

1、PCB走線中途容性負(fù)載使發(fā)射端信號(hào)產(chǎn)生下沖，接收端信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生下沖。

2、能容忍的電容量和信號(hào)上升時(shí)間有關(guān)，信號(hào)上升時(shí)間越快，能容忍的電容量越小。