電路設計 - 如何解决PCB傳輸線的矽反射問題

1.SI問題的原因

一個常見的SI問題是反射, 我們知道這一點 PCB電路板 輸電線路具有“特性阻抗”特性, 當互連連結不同部分的“特性阻抗”不匹配時會發生這種情況.

訊號波形表示中的矽反射問題是：上升/下降/振鈴等。

下圖顯示了典型的高速訊號互連連結。 訊號傳輸路徑包括：1。 發射器晶片（封裝和PCB通孔）2。 子卡3的PCB佈線。 子卡4的PCB佈線。 背板5的PCB佈線。 對等卡連接器6。 對等卡7的PCB佈線。 交流耦合電容8。 接收器晶片（封裝和PCB通孔）

圖1。 典型的高速訊號互連連結

可以看出，實際電子產品的高速訊號互連連結相對複雜，不同組件的連接點通常會發生阻抗失配，導致訊號發射。

高速互聯連結的公共阻抗不連續性：

（1）晶片封裝：通常晶片封裝基板中的PCB佈線寬度比普通PCB板薄得多，阻抗控制不容易；

（2）PCB通孔：PCB通孔通常是電容效應，特性阻抗低，PCB設計應注意和優化；

（3）連接器：連接器中銅互連連結的設計應同時受到機械可靠性和電力效能的影響，以尋求兩者之間的平衡；

另一方面，PCB佈線時，阻抗控制通常比其他互連元件更容易，側重於分層設計、板材選擇，但通常PCB加工板工廠的阻抗控制容差為10%，要實現5-8%的阻抗容差控制往往需要更高的加工成本。

2、傳輸線反射的基本理論

當驅動器向傳輸線添加訊號時，訊號的幅度取決於驅動器的電壓和電阻以及線路阻抗。 驅動器上的初始電壓是通過在其自身電阻和傳輸線阻抗之間劃分電壓來控制的。

下圖描述了應用於長輸電線的初始波形。 初始電壓Vi傳輸至輸電線路，直到其到達終點。 Vi的振幅由驅動器電阻的部分電壓和傳輸線阻抗决定：

圖2。 訊號波形在長輸電線中的傳播

如果傳輸線的末端由阻抗終止，並且該阻抗與線路的阻抗匹配，則振幅Vi的訊號將終止於地面，並且電壓Vi將保持線上，直到電源切換。 在這種情況下，Vi是直流穩態。 否則，如果傳輸線末端的阻抗不是線路的特性阻抗，則部分訊號端接地，其餘訊號將反射回傳輸線並返回源。 反射回來的信號量由反射係數决定，反射係數由給定點的反射電壓與輸入電壓之比决定。 該點被定義為傳輸線上的阻抗不連續性。 阻抗不連續性可以是具有不同特性阻抗的傳輸線的一部分，也可以是端電阻或晶片緩衝器的輸入阻抗。

其中Z0是傳輸線的標準阻抗，Zt是傳輸線上不連續點的阻抗。

該方程假設在具有特性阻抗Z0的傳輸線上傳輸的訊號遇到不連續阻抗Zt。 注意，如果Z0=Zt，反射係數為0，表示沒有反射。 Z0等於Zt的情况稱為匹配端。

如下圖所示，當輸入波形以Zt終止時，訊號ViÏ的一部分反射回源並添加到輸入波形中，整個輸入信號波形的幅度為ViÏ+Vi。反射部分可能會從源產生另一個反射，反射和反射會繼續，直到傳輸線穩定。

圖3。 阻抗失配下的訊號反射

當傳輸線完全匹配、短路和開路時，反射係數如下圖所示：

圖4。 （a）端子（b）短路（c）斷路的反射係數

在互連連結的實際應用中, 沒有理想的輸電線路, 不可能精確匹配, 囙此訊號反射必然存在, 這個 PCB設計 其中的關鍵在於如何互連各部分的阻抗，儘量縮小間隙, 從而降低反射訊號幅值, 避免多次反射對訊號質量的致命影響.