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對側子卡連接器⑥對側子卡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，特征阻抗偏低，PCB設計最應該關注與優(yōu)化;

(3) 連接器：連接器內銅互連鏈路的設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，重點關注層疊設計、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. 傳輸線反射基礎理論

當驅動器加信號到傳輸線時，信號的幅度依賴于驅動器的電壓與電阻和傳輸線阻抗。驅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，設計的關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量造成致命影響。