信号反射及阻抗匹配

信号完整性分析---信号反射及阻抗匹配
信号反射产生的原因，当信号从阻抗为Z0 进入阻抗为ZL 的线路时，由于阻抗不匹配的原因，有部分信号会被反射回来，也可以用“传输线上的回波来概括”。

如果源端、负载端和传输线具有相同的阻抗，反射就不会发生了。

反射的影响:如果负载阻抗小于传输线阻抗，反射电压为负，反之，如果负载阻抗大于传输线阻抗，反射电压为正。

实际问题中，PCB上传输线不规则的几何形状，不正确的信号匹配，经过连接器的传输及电源平面不连续等因素均会导致反射情况发生，而表现出诸如过冲/下冲以及振荡等信号失真的现象。

过冲，当信号的第一个波峰超过原来设定的最大值，信号的第一个波谷超过原来设定的最大值时，为过冲，也就是冲过头了。

下冲，当信号的第二个波峰波谷超过设定值时，称为下冲。

过大的过冲会导致元件保护二极管损坏，而下冲严重时会产生假时钟，导致系统误读写操作。

如果过冲过大我们可以采用阻抗匹配的方式消除过冲，方法很简单
如下所示：
效果如下：
震荡：信号的反射也会引起信号震荡，而震荡的本质跟过冲/下冲是一样的，在一个周期内，信号反复的过冲下冲我们称之为信号震荡。

震荡是消除电路多余能量的一种方式。

通过震荡的信号，可以将反射而产生的多余能量给消耗掉。

欠阻尼（振铃）是指终端的阻尼小，过阻尼（环绕）是指终端的阻尼大了。

(PS:不只是分布式电路才会产生振荡，集总电路由于LC振荡也会产生振荡，其振荡的大小和电路的品质因素Q有关，Q值代表了电路中信号的衰减速度，Q值越高衰减越慢。

可以通过单位时间电路储存的能量与丢失的能量比值来衡量)
Q<1/2的时候就不存在过冲或者振荡。

Q值的计算方法为： L是导线的平均电感，C是接收端的负载电容，Rs 是驱动端的输出电阻。

阻抗匹配，由于源端与负载端的阻抗不匹配才引起信号的反射，因此要进行阻抗匹配，从而降低反射系数，可以在源端串接阻抗，或者负载端并行接阻抗。

反射系数公式：P=(Z1-Z0)/(Z1+Z0)
阻抗匹配端接技术汇总
单电阻端接
经总结：串联电阻匹配一般适用于单个负载的情况。

一串行端接串行匹配：（不太适用太高的高速）
二并行端接并行匹配：（更适用于高速）
1单电阻并行端接
缺点：降低了输出的高电平，匹配电阻接地会造成下降沿过快（接电源上升源变快），这样会导致波形占空比不平衡
2 戴维宁并行接法
优点：综合适用上下来电阻，平衡输出高低电平，减小因占空比失调能力消耗缺点：静态直流功率过大，在TTL和CMOS电路中不常用。

3并行AC端接
优点：AC端接避免较多的电源消耗，
缺点：由于电容的大小很难确定，大电容会吸收较大电流增加电源损耗，小电容则会减弱匹配效果，建议通过仿真来确定电容值。

应用:并联交流匹配一般用在多接收端和时钟信号线。

(PS:二极管端接法，此法不属于阻抗匹配的思路，而是通过二极管的钳位来减小过冲与下冲，尽管成本会提高，但是系统整体布局布线开销可能会减小，因为不需要考虑精确控制传输线的阻抗匹配，它的缺点在于二极管本身不会消耗振铃信号，因此反射回来的信号会对电源或者地产生噪声，开关速度不够高，对较高速系统不太适用)。