PCB科技 - PCB阻抗不連續導致訊號反射

這是一篇關於PCB設計師應該掌握的一個非常重要的主題的深入文章. 首先要記住的是，由於不連續阻抗, 訊號反射將發生在 PCB傳輸線.

傳輸線應具有均勻的特性阻抗。 阻抗的任何變化或不連續都會導致訊號反射和失真。

這種現象也適用於PCB跡線和傳輸線。 原因是高頻訊號的物理波長很短。 囙此，PCB軌跡表現出相同的特徵。 頻率越高，波長越短。 您甚至必須像處理傳輸線一樣處理較短的記錄道。

訊號軌跡不連續或非均勻不連續形成信號完整性不連續. 為了避免源和目標處的訊號失真, 您必須匹配 PCB跟踪 對電源的阻抗. 然後必須在源端和目標端加載阻抗. 這是一個相當大的挑戰, 需要仔細的PCB設計，以減輕阻抗不連續引起的訊號衰减的影響. 特性阻抗的不連續性越大, 訊號反射越高. 這意味著訊號失真也更高. 因此, 儘量保持阻抗不連續性. 在振幅和時間方面. 閱讀：為什麼受控阻抗非常重要.

阻抗不連續性影響信號完整性

理論上，數位信號是在短時間內切換的方波脈衝。 當然，高頻數位電路所需的簡訊號上升時間將導致與快速訊號上升時間相關的極高頻率。 事實上，這些頻率將比電路的時鐘頻率高一個數量級。 高頻數位電路的脈衝寬度較短。 從而縮短上升時間。 非常短的訊號上升時間意味著數位信號包含非常高的頻率。 囙此，高頻數位信號應遵循與高頻訊號相關的信號完整性規則。

囙此，PCB軌跡阻抗的任何變化都會導致訊號反射。 這些可能會導致振鈴和訊號失真。 其結果是，在高開關頻率下，阻抗不連續會導致數位信號嚴重失真，並可能發生訊號採樣錯誤。 您可以使用以下參數來表徵由PCB跡線形成的傳輸線：電阻、電導和跡線電阻。 閱讀PCB中微帶線和帶狀線之間的差异。

典型阻抗不連續性

線路的特性阻抗是電感的平方根除以電容。 這是一個合理的假設，因為與電感和電容相比，高訊號頻率下的跟踪電阻和電導可以忽略不計。

阻抗不連續性是影響軌跡電感與其電容之比的任何因素。 以下是一些典型示例：

線路中的阻抗變化：如果線路的阻抗因任何原因發生變化，例如銅橫截面的變化或佈線路徑的變化，則互感會發生變化，阻抗會出現不連續性。

線路中的支路：雖然可能需要將訊號路由到多個設備，但支路和線頭的使用可能會改變線路阻抗並導致不連續性。

返回訊號分裂：高頻訊號沿著阻抗最低的路徑傳播，該路徑直接位於訊號軌跡下方，通常位於接地層中。 返回線或接地層中迫使返回訊號偏離該路徑的任何物理特徵都將導致不連續性。

過孔：使用過孔將訊號從PCB的一層傳輸到另一層。 雖然這是PCB設計的一個基本特徵，但過孔的形狀和尺寸會改變軌跡的電感和電容，從而產生另一個不連續性。 要瞭解更多資訊，請閱讀如何减少PCB佈局中的寄生電容。

如何限制阻抗不連續性的影響

控制阻抗不連續性負面影響的關鍵是將所有PCB訊號軌跡視為傳輸線。 應確保訊號路徑上所有點的特性阻抗相同。

確保遵循以下準則：

匹配源阻抗和負載阻抗：確保源阻抗和負載阻抗與軌跡阻抗相同。 您可以通過使用串聯或並聯電阻器來實現這一點，以獲得正確的阻抗。 此外，必須使用正確值的電阻器終止任何開路記錄道。

避免分支：如果訊號必須由多個晶片共亯，則以菊花鏈連接線路，而不是使用分支。 或者，可以使用匹配緩衝設備將訊號傳輸到分支。

訊號返回路徑：確保訊號返回遵循與訊號線相同的路徑。 如果使用地平面，確保返回訊號路徑的分裂沒有中斷。 確保有一個實心平面貫穿軌跡下的整個長度，並且沒有裂縫或切口。 如果沒有實心平面，則使用較厚的返回跡線，其應覆蓋跡線長度和電介質高度的3倍。

通孔設計：盡可能在一層上排列高頻軌跡。 如果需要過孔，請使用微型過孔而不是傳統過孔。 由於通孔具有顯著不同的電容和電感特性，囙此儘量減少其在訊號軌跡上的使用。 必要時，使用電容和電感比標準過孔小得多的微過孔。 微孔也有助於保持短管長度盡可能短。 另一種方法是使用高密度互連或HDI PCB科技。

阻抗不連續性和訊號反射

均勻傳輸線上的訊號將線上路上的所有位置遇到恒定阻抗“Zc（V/I）”，訊號將根據需要沿其傳輸。 然而，如果在任何一點上存在阻抗不連續性，訊號傳播將受到影響，並且會發生訊號反射，就像光在其傳播的介質中遇到不連續性時會反射一樣。

各種類型的阻抗不連續性及其可能的原因：

由於傳輸線的阻抗取決於導體的幾何形狀和PCB資料的特性，囙此這些特性的任何變化都會導致阻抗變化。 下麵列出了一些示例：

在線路的源或目的地/終點。 源阻抗或接收器阻抗通常與線路阻抗不同。

The change in the line width or height (ie copper thickness) of the PCB資料 訊號線和返回路徑之間或高度變化和/或介電常數.