0 信號反射的基本描述

信號沿互連線傳播時，如果感受到的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，則一部分信號被反射回源端，另一部分信號發(fā)生失真并且繼續(xù)向負載端傳輸過去。這是單一信號網(wǎng)絡(luò)中信號完整性主要的問題。反射和失真會導(dǎo)致信號質(zhì)量下降，例如振鈴。過強的振鈴會超過邏輯電平的閾值，造成誤觸發(fā)。

信號線上的過孔、線寬變化、大的元件焊盤、接插件、連接器等都會造成瞬態(tài)阻抗突變，導(dǎo)致信號反射。

控制走線幾何機構(gòu)、減小樁線長度、使用菊花鏈結(jié)構(gòu)、點對點拓撲結(jié)構(gòu)等都對保持阻抗恒定有好處。

1 阻抗變化處的反射

信號沿傳輸線傳播，無論什么原因使傳輸線上瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，有一部分信號沿著與原傳播方向相反的方向反射（即向源端反射回去），剩余部分將繼續(xù)向負載端傳播，但幅度有所改變。

有多少信號被反射回去，由瞬態(tài)阻抗的變化量決定。兩個區(qū)域的阻抗差異越大，反射信號量越大，到達負載端的信號越少。下圖紅色是入射電壓，紫色是反射電壓。藍色是反射后剩余電壓，繼續(xù)向前傳播。Z2的區(qū)域可以不是傳輸線，可能是相應(yīng)阻抗的元件，例如電阻、電容、電感或者它們的組合。

反射系數(shù)：

例如1V（Vi）的入射電壓順著50R阻抗（Z1）的傳輸線傳播，當?shù)竭_傳輸線變窄的區(qū)域，阻抗變大到75R(Z2)，計算可知反射系數(shù)是20%，反射電壓是0.2V。無論波形是什么形狀，只要到達Z1和Z2的交界處，波形的各個部分都有20%的波形被反射回去。

傳輸系數(shù)：

2 反射是怎么形成的？

那么究竟是什么造成信號在兩個阻抗不同區(qū)域交界處發(fā)生反射呢？假設(shè)信號在區(qū)域1中的電壓和電流是V1和I1，信號在區(qū)域2中的電壓和電流是V2和I2。理論上在交界處的兩側(cè)電壓和電流應(yīng)該是相同的，即V1=V2，I1=I2，Z1=Z2。當交界處兩側(cè)的阻抗不同時，為了使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定，在區(qū)域1產(chǎn)生一個反射回源端的電壓。它唯一的目的就是吸收入射信號傳輸信號之間不匹配的電壓和電流。

為了減小信號反射造成的信號完整性問題，如下四個設(shè)計要點需要注意

（1）使用阻抗可控的傳輸線

（2）傳輸線末端至少有一個終端匹配

（3）設(shè)計使多分枝產(chǎn)生影響最小的布線拓撲結(jié)構(gòu)

（4）最小化幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性

3 阻性負載的反射

傳輸線的終端匹配有三種特殊情況：開路、短路、終端阻抗和傳輸線阻抗匹配。

情況一：終端開路（假設(shè)傳輸線阻抗是50R）

當傳輸線終端開路，則傳輸線模末端的瞬態(tài)阻抗是無群大，此時反射系數(shù)是：

即當信號到達傳輸線的終端時，在終端將產(chǎn)生與入射波大小相同，方向相反，返回源端的反射波。

情況二：終端短路（假設(shè)傳輸線阻抗是50R）

當傳輸線終端短路，則傳輸線模末端的瞬態(tài)阻抗是0，此時反射系數(shù)是：

即1V入射信號到達遠端時，將產(chǎn)生-1V反射信號，向源端傳播。短路突變處的電壓為入射電壓和反射電壓之和，即1V-（-1V）=0V。

情況三：終端阻抗和傳輸線阻抗匹配

當終端阻抗和傳輸線阻抗匹配時，此時反射系數(shù)為：

沒有反射信號，終端電阻兩端的電壓就是入射信號。

總之：當末端為一般性阻性負載時，信號在終端感受到的瞬態(tài)阻抗在0~無群大之間，反射系數(shù)在1~-1之間。

例子

例子一

Vi=1V，Z1=50R，Z2=25R

反射系數(shù)=（25-50）/(25+50)=-0.33

Vr=Vix-0.33=-0.33V

傳輸系數(shù)=2x25/50+25=0.66

Vo=Vix0.66=0.66V

即當信號線變窄時，Vo會減小。

例子二

Vi=1V，Z1=25R，Z2=50R

反射系數(shù)=（50-25）/(50+25)=0.33

Vr=Vix0.33=0.33V

傳輸系數(shù)=2x50/50+25=1.33

Vo=Vix1.336=1.33V

當信號線變寬時，Vo會增大。