完整資料:PCB設(shè)計之信號完整性，從走線、信號反射到特性阻抗

信號完整性(一)：PCB走線中途容性負(fù)載反射

很多時候，PCB走線中途會經(jīng)過過孔、測試點焊盤、短的stub線等，都存在寄生電容，必然對信號造成影響。走線中途的電容對信號的影響要從發(fā)射端和接受端兩個方面分析，對起點和終點都有影響。

首先按看一下對信號發(fā)射端的影響。當(dāng)一個快速上升的階躍信號到達(dá)電容時，電容快速充電，充電電流和信號電壓上升快慢有關(guān)，充電電流公式為：I=C*dV/dt。電容量越大，充電電流越大，信號上升時間越快，dt越小，同樣使充電電流越大。

我們知道，信號的反射與信號感受到的阻抗變化有關(guān)，因此為了分析，我們看一下，電容引起的阻抗變化。在電容開始充電的初期，阻抗表示為：

這里dV實際上是階躍信號電壓變化，dt為信號上升時間，電容阻抗公式變?yōu)椋?/p>

從這個公式中，我們可以得到一個很重要的信息，當(dāng)階躍信號施加到電容兩端的初期，電容的阻抗與信號上升時間和本身的電容量有關(guān)。

通常在電容充電初期，阻抗很小，小于走線的特性阻抗。信號在電容處發(fā)生負(fù)反射，這個負(fù)電壓信號和原信號疊加，使得發(fā)射端的信號產(chǎn)生下沖，引起發(fā)射端信號的非單調(diào)性。

對于接收端，信號到達(dá)接收端后，發(fā)生正反射，反射回來的信號到達(dá)電容位置，那個樣發(fā)生負(fù)反射，反射回接收端的負(fù)反射電壓同樣使接收端信號產(chǎn)生下沖。

為了使反射噪聲小于電壓擺幅的5%（這種情況對信號影響可以容忍），阻抗變化必須小于10%。那么電容阻抗應(yīng)該控制在多少？電容的阻抗表現(xiàn)為一個并聯(lián)阻抗，我們可以用并聯(lián)阻抗公式和反射系數(shù)公式來確定它的范圍。對于這種并聯(lián)阻抗，我們希望電容阻抗越大越好。假設(shè)電容阻抗是PCB走線特性阻抗的k倍，根據(jù)并聯(lián)阻抗公式得到電容處信號感受到的阻抗為：阻抗變化率為：，即，也就是說，根據(jù)這種理想的計算，電容的阻抗至少要是PCB特性阻抗的9倍以上。實際上，隨著電容的充電，電容的阻抗不斷增加，并不是一直保持最低阻抗，另外，每一個器件還會有寄生電感，使阻抗增加。因此這個9倍限制可以放寬。在下邊的討論中假設(shè)這個限制是5倍。

有了阻抗的指標(biāo)，我們就可以確定能容忍多大的電容量。電路板上50歐姆特性阻抗很常見，我就用50歐姆來計算。
得出：

即在這種情況下，如果信號上升時間為1ns，那么電容量要小于4皮法。反之，如果電容量為4皮法，則信號上升時間最快為1ns，如果信號上升時間為0.5ns，這個4皮法的電容就會產(chǎn)生問題。

這里的計算只不過是為了說明電容的影響，實際電路中情況十分復(fù)雜，需要考慮的因素更多，因此這里計算是否精確沒有實際意義。關(guān)鍵是要通過這種計算理解電容是如何影響信號的。我們對電路板上每一個因素的影響都有一個感性認(rèn)識后，就能為設(shè)計提供必要的指導(dǎo)，出現(xiàn)問題就知道如何去分析。精確的評估需要用軟件來仿真。

總結(jié)：

1、PCB走線中途容性負(fù)載使發(fā)射端信號產(chǎn)生下沖，接收端信號也會產(chǎn)生下沖。

2、能容忍的電容量和信號上升時間有關(guān)，信號上升時間越快，能容忍的電容量越小。

信號完整性(二)：接收端容性負(fù)載的反射

信號的接收端可能是集成芯片的一個引腳，也可能是其他元器件。不論接收端是什么，實際的器件的輸入端必然存在寄生電容，接受信號的芯片引腳和相鄰引腳之間有一定的寄生電容，和引腳相連的芯片內(nèi)部的布線也會存在寄生電容，另外引腳和信號返回路徑之間也會存在寄生電容。

好復(fù)雜，這么多寄生電容！其實很簡單，想想電容是什么？兩個金屬板，中間是某種絕緣介質(zhì)。這個定義中并沒有說兩個金屬板是什么形狀的，芯片兩個相鄰引腳也可以看做是電容的兩個金屬板，中間介質(zhì)是空氣，不就是一個電容么。芯片引腳和PCB板內(nèi)層的電源或地平面也是一對金屬板，中間介質(zhì)是PCB板的板材，常見的是FR4材料，也是一個電容。呵呵，搞來搞去，還是回到了最基礎(chǔ)的部分。高手不要笑，太簡單了。不過確實很多人看到寄生電容就感到有點暈，理解不透，所以在這里啰嗦一下。

回到正題，下面研究一下信號終端的電容有什么影響。將模型簡化，用一個分立電容元件代替所有寄生電容，如圖1所示。

我們考察B點電容的阻抗情況。電容的電流為：

隨著電容的充電，電壓變化率逐漸減?。?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/221/" target="_blank">電路原理中的瞬態(tài)過程），電容的充電電流也不斷減小。即電容的充電電流是隨時間變化的。

電容的阻抗為：

因此電容所表現(xiàn)出來的阻抗隨時間變化，不是恒定的。正是這種阻抗的變化特性決定了電容對信號影響的特殊性。如果信號上升時間小于電容的充電時間，最初電容兩端的電壓迅速上升，這時阻抗很小。隨著電容充電，電壓變化率下降，充電電流減小，表現(xiàn)為阻抗明顯增大。充電時間無窮大時，電容相當(dāng)于開路，阻抗無窮大。

阻抗的變化必然影響信號的反射。在充電的開始一段時間，阻抗很小，小于傳輸線的特性阻抗，將發(fā)生負(fù)反射，反射回源端A點的信號將產(chǎn)生下沖。隨著電容阻抗的增加，反射逐漸過渡到正反射，A點的信號經(jīng)過一個下沖會逐漸升高，最終達(dá)到開路電壓。