鏈路上小段線的阻抗突變到底會(huì)不會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量？

一博高速先生成員：劉春

在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，相信有經(jīng)驗(yàn)的工程師都遇到過(guò)這種情況，在布線過(guò)程中，有時(shí)候由于電路結(jié)構(gòu)或空間限制，需要中途某段走線變粗或變細(xì)，如串接電阻電容、下孔、BGA出線區(qū)域或走線密集區(qū)域等，但這樣做的結(jié)果就導(dǎo)致信號(hào)走線阻抗不連續(xù)，嚴(yán)重的甚至?xí)绊懶盘?hào)的質(zhì)量。那么當(dāng)面臨這類(lèi)情況時(shí)，我們?cè)撊绾胃玫娜グ芽睾迷O(shè)計(jì)以避免或減小對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成影響呢？

本文將利用SIGRITY仿真軟件對(duì)信號(hào)在傳輸線上出現(xiàn)一段串聯(lián)走線阻抗突變的情況進(jìn)行仿真分析，了解串聯(lián)走線阻抗突變的情況是如何影響信號(hào)質(zhì)量的，方便我們?cè)谠O(shè)計(jì)中遇到類(lèi)似阻抗突變時(shí)能游刃有余的順利完成設(shè)計(jì)。

搭建簡(jiǎn)易的仿真拓?fù)淙缦聢D所示：

其中激勵(lì)源Vs的內(nèi)阻為50ohm，TL,TL2均為50ohm阻抗，延時(shí)1ns的均勻傳輸線，TL1作為變量，模擬在PCB布線時(shí)發(fā)生阻抗突變的線段，負(fù)載Resistor為100K的電阻相當(dāng)于開(kāi)路端接。

為了讓我們更直觀的了解在傳輸線路中串聯(lián)走線阻抗突變對(duì)信號(hào)的影響，基于上面搭建的仿真拓?fù)湓O(shè)置如下：

激勵(lì)源Vs設(shè)置幅度為1V的理想方波；

TL1設(shè)置阻抗為30ohm，延時(shí)0.2ns;

仿真結(jié)果：

根據(jù)仿真結(jié)果我們可以看到，在當(dāng)前模型配置下，信號(hào)最差時(shí)電平幅度跌到了0.765V，已經(jīng)嚴(yán)重影響了信號(hào)的質(zhì)量。為了更方便大家理解該突變對(duì)信號(hào)的影響，我們還可以用反射原理進(jìn)行計(jì)算分析，看是否和我們的仿真結(jié)果相吻合。這里關(guān)于反射理論的知識(shí)就不再闡述，感興趣的朋友可以關(guān)注高速先生前幾期的文章，里面有詳細(xì)的描述哈！

分析如下：

0ns:

第一次反射，激勵(lì)源內(nèi)阻分壓，A點(diǎn)電壓0.5V；

1ns:

第二次反射，B點(diǎn)分界，反射系數(shù)-0.25，TL1傳輸線上電壓0.375V；

1.2ns：

第三次反射，C點(diǎn)分界，反射系數(shù)0.25，TL2傳輸線上電壓0.46875V；

2.2ns：

第四次反射，D點(diǎn)分界，反射系數(shù)1，負(fù)載接受電壓電壓0.937V；

4.2ns:

由負(fù)載反射回去的電壓在C點(diǎn)分界再反射回來(lái)，受反射的影響，此時(shí)負(fù)載接收到的電壓變?yōu)?.765V；

……

可見(jiàn)仿真結(jié)果與我們計(jì)算分析結(jié)果是相吻合的。

通過(guò)上面的仿真例子和分析，相信大家對(duì)傳輸線中串聯(lián)走線阻抗突變是如何影響信號(hào)質(zhì)量的原理都有一定的了解了哈！下面我們?cè)賮?lái)仿真一下其他阻抗突變的情況，觀察是否能發(fā)現(xiàn)一些有價(jià)值的規(guī)律。同樣基于搭建的仿真拓?fù)湓O(shè)置如下：

激勵(lì)源Vs設(shè)置幅度為1V的理想方波；

TL1設(shè)置阻抗分別為30,40,50,60,70ohm，延時(shí)0.2ns;

仿真結(jié)果：

從仿真結(jié)果來(lái)看，我們可以知道當(dāng)串聯(lián)走線阻抗突變?cè)酱螅瑢?duì)信號(hào)質(zhì)量的影響也就越大。因此在PCB布線時(shí)，要盡可能的保證傳輸線阻抗連續(xù)或減小阻抗的突變程度。

當(dāng)然，上面的仿真研究都是基于不存于現(xiàn)實(shí)的理想方波的，接下來(lái)我們來(lái)看看信號(hào)上升時(shí)間不為0時(shí)又是怎樣的？同樣基于搭建的仿真拓?fù)湓O(shè)置如下：

激勵(lì)源Vs設(shè)置幅度為1V，上升時(shí)間RT=1ns的脈沖；

TL1設(shè)置阻抗為30ohm，延時(shí)0.2ns; 

仿真結(jié)果與理想方波仿真結(jié)果比較：

根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)信號(hào)上升時(shí)間為1ns時(shí)，最差的信號(hào)電平為0.893V，信號(hào)質(zhì)量相較于理想方波的0.765V有了明顯的改善，那是否可認(rèn)為傳輸線上串聯(lián)走線阻抗突變對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響和信號(hào)的上升邊有關(guān)呢？接下來(lái)我們繼續(xù)做進(jìn)一步仿真驗(yàn)證，觀察之間是否存在關(guān)聯(lián)。同樣基于搭建的仿真拓?fù)湓O(shè)置如下：

激勵(lì)源Vs設(shè)置幅度為1V，上升時(shí)間RT分別設(shè)置為0.5ns,1ns,1.5ns的脈沖；

TL1設(shè)置阻抗為30ohm，延時(shí)0.2ns;

仿真結(jié)果：

仿真結(jié)果顯示，

RT=0.5ns時(shí)，信號(hào)最差電平0.807V；

RT=1.0ns時(shí)，信號(hào)最差電平0.893V；

RT=1.5ns時(shí)，信號(hào)最差電平0.928V。

可知，當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間越長(zhǎng)，串聯(lián)走線阻抗突變段對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響越小，信號(hào)質(zhì)量就越好。因?yàn)樽杩雇蛔兌吻昂蠓纸绲姆瓷涫谴笮∠嗟?，方向相反的，在?jīng)歷兩倍的突變延時(shí)后會(huì)相互抵消，可是在沒(méi)抵消之前這兩倍的延時(shí)內(nèi)信號(hào)質(zhì)量受反射影響會(huì)變差，但如果信號(hào)的上升時(shí)間足夠大，就能夠把該影響給減弱甚至幾乎完全掩蓋掉。 

然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們信號(hào)的上升時(shí)間基本都是固定的，除了減小阻抗的突變之外還有哪些因素可以幫助我們?nèi)ジ纳仆蛔兙€段對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響呢？

相信大家都已經(jīng)猜到了哈！那就是我們阻抗突變段的長(zhǎng)度，即信號(hào)在阻抗突變段傳輸時(shí)的延時(shí)大小。話不多說(shuō)，我們直接來(lái)看仿真驗(yàn)證吧！同樣基于搭建的仿真拓?fù)湓O(shè)置如下：

激勵(lì)源Vs設(shè)置幅度為1V，上升時(shí)間RT=1ns的脈沖；

TL1設(shè)置阻抗為30ohm，延時(shí)分別為0.01ns,0.1ns,0.2n,0.3ns;

仿真結(jié)果：

仿真結(jié)果顯示，

延時(shí)=0.01ns時(shí)，信號(hào)最差電平0.994V；

延時(shí)=0.1ns時(shí)，信號(hào)最差電平0.946V；

延時(shí)=0.2ns時(shí)，信號(hào)最差電平0.893V；

延時(shí)=0.3ns時(shí)，信號(hào)最差電平0.848V。

說(shuō)明，阻抗突變段的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，串聯(lián)走線阻抗突變段對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響越大，當(dāng)突變長(zhǎng)度足夠短時(shí)，影響可以忽略不計(jì)。這與信號(hào)上升時(shí)間越大，串聯(lián)走線阻抗突變段對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響越小是同樣的原理。

最后，綜合上面的仿真結(jié)果和分析，我們可以對(duì)串聯(lián)走線阻抗突變對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響做如下總結(jié)：

（1）串聯(lián)走線阻抗突變?cè)酱?，?duì)信號(hào)質(zhì)量的影響也就越大。因此在進(jìn)行PCB布線設(shè)計(jì)時(shí)，我們的串聯(lián)走線阻抗突變應(yīng)盡可能的小；

（2）信號(hào)的上升時(shí)間越長(zhǎng)，串聯(lián)走線阻抗突變段對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響越小，即信號(hào)質(zhì)量就越好。

（3）阻抗突變段的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，串聯(lián)走線阻抗突變段對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響越大，當(dāng)突變長(zhǎng)度足夠短時(shí)，影響可以忽略不計(jì)。因此在進(jìn)行布線設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)該把走線的阻抗突變段盡可能的控制在較短的長(zhǎng)度內(nèi)，當(dāng)然，具體的長(zhǎng)度還要結(jié)合對(duì)應(yīng)信號(hào)的上升時(shí)間進(jìn)行評(píng)估。