縮小阻抗差距,解決PCB傳輸線之SI反射問題
發布時間:2016-10-13 責任編輯:susan
【導讀】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,就會出現反射現象。SI反射問題在信號波形上的表征就是:上衝/下衝/振鈴等。
1. SI問題的成因
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,實際電子產品的高速信號互連鏈路是比較複雜的,而且通常在不同部件連接點處是會產生阻抗失配的問題、從而造成信號的發射。
高速互連鏈路常見的阻抗不連續點:
(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,阻抗控製不容易;
(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製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加工板廠的阻抗控製公差為10%,要達到5~8%的阻抗公差控製往往需要花費更高的加工成本。
2. 傳輸線反射基礎理論
dangqudongqijiaxinhaodaochuanshuxianshi,xinhaodefuduyilaiyuqudongqidedianyayudianzuhechuanshuxianzukang。qudongqishangdechushidianyatongguozishendianzuhechuanshuxianzukangdefenyalaikongzhi。
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,那麼幅度為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wen態tai值zhi。否fou則ze,如ru果guo傳chuan輸shu線xian的de末mo端duan的de阻zu抗kang不bu是shi線xian的de特te征zheng阻zu抗kang,信xin號hao的de一yi部bu分fen端duan接jie到dao地di,信xin號hao的de其qi餘yu部bu分fen將jiang被bei反fan射she到dao傳chuan輸shu線xian回hui到dao源yuan。反fan射she回hui的de信xin號hao的de量liang通tong過guo反fan射she係xi數shu決jue定ding,反fan射she係xi數shu由you確que定ding的de點dian的de反fan射she電dian壓ya和he輸shu入ru電dian壓ya的de比bi決jue定ding。這zhe個ge點dian定ding義yi為wei傳chuan輸shu線xian上shang阻zu抗kang不bu連lian續xu。阻zu抗kang不bu連lian續xu可ke以yi是shi不bu同tong特te征zheng阻zu抗kang的de傳chuan輸shu線xian的de一yi部bu分fen,也ye可ke以yi是shi端duan接jie電dian阻zu或huo者zhe是shi到dao芯xin片pian緩huan衝chong器qi上shang的de輸shu入ru阻zu抗kang。
反射係數的計算:

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的阻抗Zt。注意如果Z0=Zt,反射係數為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被反射回源端並且加在輸入波形上,整個輸入信號波形幅度為Viρ+Vi。反射的部分可能從源產生另一個反射,反射和逆反射一直持續直到傳輸線穩定。

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、開路時的反射係數如下圖所示:

圖4.(a)端接(b)短路(c)開路 三種情況下的反射係數
在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)的(de)互(hu)連(lian)鏈(lian)路(lu)中(zhong),理(li)想(xiang)的(de)傳(chuan)輸(shu)線(xian)是(shi)不(bu)存(cun)在(zai)的(de),也(ye)不(bu)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)完(wan)全(quan)匹(pi)配(pei),因(yin)此(ci)信(xin)號(hao)的(de)反(fan)射(she)是(shi)必(bi)然(ran)存(cun)在(zai)的(de),設(she)計(ji)的(de)關(guan)鍵(jian)在(zai)於(yu)如(ru)何(he)把(ba)互(hu)連(lian)鏈(lian)路(lu)中(zhong)的(de)各(ge)個(ge)部(bu)件(jian)阻(zu)抗(kang)差(cha)距(ju)盡(jin)量(liang)縮(suo)小(xiao),從(cong)而(er)減(jian)小(xiao)反(fan)射(she)信(xin)號(hao)幅(fu)度(du)、避免多級反射對信號質量造成致命影響。
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