信号完整性之反射（二）

一、信号反射定义

反射(reflection)定义：传输时，每一时刻都会遇到一个传输线的瞬时阻抗，当该瞬时阻抗发生变化时，一部分信号将会反射，另一部分将会继续向前传输。或者说反射就是回波，信号功率的一部分传输到线上并达到负载端，但是有一部分反射会回源端。
关于阻抗定义大家可能接触许多关于阻抗的说法，下面简单介绍一下互连传输路径的阻抗定义
阻抗：将传输线始端的输入阻抗称为阻抗。
瞬时阻抗：将信号在互连传输过程中随时遇到的阻抗称为瞬时阻抗。
特征阻抗：如果传输线有恒定不变的瞬时阻抗，就称为传输线的特征阻抗。
一般都是用特征阻抗来描述传输线阻抗(单端50ohm、差分100ohm)，其是影响传输线在电路中信号完整性的一个主要因素。

二、信号反射机理

信号沿传输线向前传播时，每时每刻都会遇到一个瞬时阻抗，这个阻抗可能是传输线本身的，有可能是中途的过孔、线宽的变化或者末端的其他元件等。对于信号来说，它不会区分到底是什么，信号所能感受到的就是阻抗的变化，如果阻抗不变就会继续向前传播，阻抗变化就会发生反射。
简单举个例子，方便大家理解：
阻抗连续类似;水流在水管中平稳流淌，突然遇到水管变细或者分支的俩个孔径小的水管，那么水会在拐弯的地方晃动和产生水花。
在反射的概念中还有一个很重要的定义就是反射系数：它是衡量反射能量的多少，指的是反射电压比上原传输信号电压的比值，公式定义如下：
Z2：信号进入区域的瞬时阻抗 Z1：信号最初所在区域的阻抗

三、信号反射的三种情况

负载阻抗和入射阻抗相等：负载消耗能量等于入射能量，没有反射
【负载阻抗和特征阻抗相等，传输线阻抗一致，反射系数为0，阻抗连续】
当负载短路时：负载端没有全部吸收能量，发生反射
【负载阻抗小于特征阻抗，反射系数为负，阻抗不连续】
当负载开路时：负载端还可以吸收更多的能量，发生反射
【负载阻抗大于特征阻抗，反射系数为正，阻抗不连续】
综合以上三个特殊情况，可以总结为当源端和负载端阻抗均不匹配时，信号在两端来回多次反射，由此产生振铃，消除多次反射的方法是使源端和负载端至少有一个匹配，这样反射只进行一次。

四、消除反射的措施

消除反射可以通过更改传输线的不连续结构、端接匹配、走线拓扑来进行调整。
更改走线不连续结构：减少走线的现款的突变、减少过孔的使用或者减少STUB等措施。
端接匹配包括：
串联端接：在源端串一个电阻，电阻阻值加上驱动端的输出阻抗应该等于传输线的特征阻抗，以此来消除负载端的反射。在这种情况下会发生一次反射，每条线上只用加上一个电阻，消耗功率小，但是会增加信号的传输时间，减缓信号的上升和下降时间。

并联端接：在负载端并联电阻，电阻的阻值需要和传输线的特征阻抗相等，以此来消除终端的一次反射。并联电阻可以上拉到电源或下拉到地，适用于多负载的情况。

AC并联端接：在负载端并联上电阻与电容，电阻的阻值和特征阻抗相等。AC端接是为消除直流功耗，但是需要两个器件，需要增加成本和板面积。而且增加了容性负载，对信号容易造成延时。适用于多负载，对周期信号有效，不适合于非周期信号。

戴维南端接：在负载端并联两个电阻，两个并联的电阻阻值应该和特征阻抗相等。并联电阻可以上拉到电源或下拉到地，适用于多负载的情况。

走线拓扑：拓扑指的是在应对单一驱动源（多个）驱动多个负载（一个）的情况下，决定信号走向如何来完成PCB走线的方式。包括点对点（Point to point）、菊花链（Daisy）、星型结构（Star）、远端簇型（Far-end cluster）、树型（Tree）。
点对点(point to point)：单向传输，适用于时钟和重要信号线，易于控制信号延时和信号质量，通常采用始端串联端接。

菊花链(Daisy)：适用于单向传输，从源端发射依次到达各个负载端，通常采用并联端接。驱动端到达每个负载的时延不一致，最远端的信号质量最好，最近信号质量差，需要保证每个分支的长度越短越好。

星形结构（Star）：适用于单向传输，典型结构的主干线越短越好，可以把各个分支看成点到点结构，然后分别加始端串联端接。容易控制各个负载的走线长度，但需要驱动端要有较强的驱动能力。

树形(Tree)：适用于需要各个分支负载控制等长的情况，通常采用终端戴维南端接的方式。

远端簇形（Far-end cluster）：适用于单向传输，各个分支很短，需要布局时负载靠的很近。此时可以当成点到点加始端串联端接的方式。

以上资料主要参考《Cadence 高速电路设计》、《ANSYS信号完整性分析与仿真实例》
如有错误，希望各位大神留言指正，感谢！！！