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(dāng)互連鏈路中不同部分的“特征阻抗”不匹配時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象。

SI反射問題在信號(hào)波形上的表征就是：上沖/下沖/振鈴 等。

下圖所示是一個(gè)典型的高速信號(hào)互連鏈路，信號(hào)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(duì)側(cè)子卡連接器⑥對(duì)側(cè)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(hào)互連鏈路

可以看出，實(shí)際電子產(chǎn)品的高速信號(hào)互連鏈路是比較復(fù)雜的，而且通常在不同部件連接點(diǎn)處是會(huì)產(chǎn)生阻抗失配的問題、從而造成信號(hào)的發(fā)射。

高速互連鏈路常見的阻抗不連續(xù)點(diǎn)：

(1) 芯片封裝：通常芯片封裝基板內(nèi)的PCB走線線寬會(huì)比普通PCB板細(xì)很多，阻抗控制不容易;

(2) PCB過孔：PCB過孔通常為容性效應(yīng)，特征阻抗偏低，PCB設(shè)計(jì)最應(yīng)該關(guān)注與優(yōu)化;

(3) 連接器：連接器內(nèi)銅互連鏈路的設(shè)計(jì)要同時(shí)受到機(jī)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(diǎn)關(guān)注層疊設(shè)計(jì)、板材選擇，但通常PCB加工板廠的阻抗控制公差為10%，要達(dá)到5~8%的阻抗公差控制往往需要花費(fèi)更高的加工成本。

2. 傳輸線反射基礎(chǔ)理論

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器加信號(hào)到傳輸線時(shí)，信號(hào)的幅度依賴于驅(qū)動(dòng)器的電壓與電阻和傳輸線阻抗。驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(dá)末端，Vi的幅度通過驅(qū)動(dòng)器電阻和傳輸線阻抗的分壓來決定：

圖2 信號(hào)波形在長(zhǎng)傳輸線的傳播

如果傳輸線的末端端接一個(gè)阻抗，而且這個(gè)阻抗與線的阻抗精確的匹配，那么幅度為Vi的信號(hào)將被端接到地，電壓Vi將仍保持在線上直到信號(hào)源轉(zhuǎn)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(hào)的一部分端接到地，信號(hào)的其余部分將被反射到傳輸線回到源。反射回的信號(hào)的量通過反射系數(shù)決定，反射系數(shù)由確定的點(diǎn)的反射電壓和輸入電壓的比決定。這個(gè)點(diǎn)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(jì)算：

其中Z0為傳輸線標(biāo)準(zhǔn)阻抗，Zt為傳輸線上某個(gè)不連續(xù)點(diǎn)的阻抗。

等式假設(shè)信號(hào)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(dāng)輸入波形遇到端接Zt，信號(hào)的一部分Viρ被反射回源端并且加在輸入波形上，整個(gè)輸入信號(hào)波形幅度為Viρ+Vi。反射的部分可能從源產(chǎn)生另一個(gè)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(hào)反射

當(dāng)傳輸線完全匹配、短路、開路時(shí)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(shí)際應(yīng)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(hào)的反射是必然存在的，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何把互連鏈路中的各個(gè)部件阻抗差距盡量縮小，從而減小反射信號(hào)幅度、避免多級(jí)反射對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成致命影響。