PCB走线上串电阻的原因

由于电信号在PCB上传输，我们在PCB设计中，可以把PCB走线认为是信号的通道。当这个通道的深度和宽度发生变化时，特别是一些突变时，都会产生反射。此时，一部分信号继续传播，一部分信号就可能反射。而我们在设计的过程中，一般都是控制PCB的宽度。所以，我们可以把信号走在PCB走线上，假想为河水流淌在河道里面。当河道的宽度发生突变时，河水遇到阻力自然会发生反射、旋涡等现象。   同样的，信号在PCB上走线当遇到PCB的阻抗突变了，信号也会发生反射。

我们以光的反射类比信号的反射。光的反射，指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向，返回原来物质中的现象。光在碰到介质界面时，其折射率和反射率由。光线在临界面上的反射率仅与介质的物理性能，光线的波长，以及入射角相关。

同样的，信号/电磁波在传输过程中，一旦传输线瞬时阻抗发生变化，那么就将发生反射。信号的反射有一个参数叫作反射系数（ρ），计算公式如下：

式中，Z1为变化前的阻抗；Z2为变化后的阻抗。假设PCB线条的特性阻抗为50Ω，传输过程中遇到一个理想的100Ω的贴片电阻接地，那么反射系数运用公式计算得到：

信号有1/3被反射回源端。反射系数ρ计算公式的推导过程，此处不展开。 信号沿传输线向前传播时，每时每刻都会可能发生阻抗变化，如PCB走线宽度变化、PCB厚度变化、换层、电阻、电容、电感、过孔、PCB转角、接插件、器件管脚；这个阻抗可能是传输线本身的，也可能是中途或末端其他元件的。

对于信号来说，它不会区分到底是什么，信号是否反射，只会根据阻抗而变化。如果阻抗是恒定的，那么他就会正常向前传播，只要阻抗发生了变化，不论是什么引起的，信号都会发生反射。 不管是COMS电路，还是SSTL电路，抑或是射频电路，电路设计工程师希望整个传输链路阻抗都是一致的，最理想的情况就是源端、传输线和负载端都一样。但实际总是事与愿违，因为发送端的芯片内阻通常会比较小，而传输线的阻抗又是50Ω，这就造成了不匹配，使信号发生反射。这种情况在并行总线和低速信号电路中常常出现，而通常对于高速SerDes电路而言，芯片内阻与差分传输线的阻抗是匹配的。 如果确实出现了阻抗不匹配，通常的做法是在芯片之外采用电阻端接匹配来实现阻抗一致性。常用的端接方式有源端端接、终端并联端接、戴维宁端接、RC 端接、差分端接等。那端接电阻要使用几颗？端接电阻怎么放置？阻值是选择多大呢？

1、点对点拓扑结构

在介绍端接之前，先了解下电路的拓扑结构。电路的拓扑是指电路中各个元件之间的连接关系。常见的电路拓扑结构包括点对点的拓扑、星型拓扑、T型拓扑、菊花链拓扑等，最简单的拓扑就是点对点拓扑结构的连接设计。点对点设计也是最常见的电路拓扑设计，尤其是在高速电路中几乎都是点对点的连接设计。 点对点虽然简单，但这种拓扑设计限制了带负载的数量。点对点设计，由于驱动端的内部阻抗与传输线的阻抗常常不匹配，很容易就会形成信号反射，使信号失真。这就是一个信号完整性问题。 如下图所示，是点对点的拓扑结构，由驱动端、传输线和接收端组成。

▲点对点无端接拓扑结构

在这个电路拓扑中，其接收端的信号波形，如下图所示：

▲点对点无端接的信号波形

从波形上分析，信号在高电平时稳定电压在1.8V，但是最大值达到了2.619V，有819mV的过冲；最小值达到了-731mV，低于0V达到了731mV。这种情况在电路设计中需要尽量避免，因为这么大的过冲很容易损毁芯片，即使不损毁，也存在可靠性的问题。 所以，在设计中需要把过冲降低，尽量保证电压幅值在电路可接受的范围内，如此案例尽量保证满足1.8V+/-5%，这时就需要通过 端接电阻来改善信号质量。

2、源端端接 源端端接设计也叫串联端接设计，是一种常用的端接设计。端接方式是只在芯片端出来之后添加一颗端接电阻，尽量靠近输出端。在此电路结构中，关键的是加多大阻值的电阻，需要根据电路的实际情况进行仿真或计算确认。 计算的原则是源端阻抗Rs与所加端接电阻R0的值等于传输线的阻抗Z0。在前面的点对点拓扑结构中，加入端接电阻值为33Ω的R1，其电路拓扑结构，如下图所示。

▲源端端接拓扑结构

此时在接收端获得的信号波形，如下图所示：

▲源端端接后的波形

使用源端端接后，原本的存在的过冲已经基本消除，信号质量得到极大的改善。在加入源端端接电阻之后，信号的上升沿变缓，上升时间变长。 源端端接在电路匹配时，可以使电路匹配得非常好，但并不是适合于每一种电路设计。源端端接有自身的一些特性，大致归纳如下：

（1）源端端接非常简单，只需要使用一颗电阻即可完成端接。

（2）当驱动端器件的输出阻抗与传输线特性阻抗不匹配时，使用源端端接在开始就可以使阻抗匹配；当电路不受终端阻抗影响时，非常适合使用源端端接；如果接收端存在反射现象，就不适合使用源端端接。

（3）适用于单一负载设计时的端接。

（4）当电路信号频率比较高时，或者信号上升时间比较短（特别是高频时钟信号）时，不适合使用源端端接。因为加入端接电阻后，会使电路的上升时间变长。

（5）合适的源端端接可以减少电磁干扰（EMI）辐射。

3、并联端接

并联端接即把端接电阻并联在链路中，一般把端接电阻在靠近信号接收端的位置，并联端接分为上拉电阻并联端接和下拉电阻并联端接。电路图如下：

▲并联端接拓扑结构

端接电阻值R0与传输线的阻抗一致。使用并联端接后，其接收端的信号波形，如下图所示：

▲并联端接后的信号波形

从波形上分析，过冲基本被消除。上拉并联端接的波形低电平有很明显的上移，下拉并联端接的波形高电平有很明显的下移。不管是上拉并联端接还是下拉并联端接，信号波形的峰峰值都比使用源端端接时要小一些。 并联端接放在接收端，所以能很好地消除反射，使用的元件也只有电阻。 从电路结构就可以看出，即使电路保持在静态情况，并联端接依然会消耗电流，所以驱动的电流需求比较大，很多时候驱动端无法满足并联端接的设计，在特别是多负载时，驱动端更加难以满足并联端接需要消耗的电流。所以，一般并联端接不用于TTL和COMS电路。同时，由于幅值被降低，所以噪声容限也被降低了。

4、戴维宁端接

戴维宁端接就是使用两颗电阻组成分压电路，即用上拉电阻R1和下拉电阻R2构成端接，通过R1和R2吸收反射能量。戴维宁端接的等效电阻必须等于走线的特性阻抗。电路拓扑结构，如下图所示：

▲戴维宁端接拓扑结构

使用戴维宁端接后，其接收端的信号波形，如下图所示：

▲戴维宁端接后的信号波形 从上述信号波形分析，戴维宁端接匹配的效果也非常好，也基本能消除过冲的影响。 戴维宁端接方式，由于一直存在直流功耗，所以对电源的功耗要求比较多，也会降低源端的驱动能力。从信号接收端的波形可以看出，戴维宁端接的幅度降低了，所以噪声容限也被降低。同时，戴维宁端接需要使用两颗分压电阻，电阻的选型也相对比较麻烦，使很多电路设计工程师在使用这类端接时总是非常谨慎。 DDR2和DDR3的数据和数据选通信号网络的ODT端接电路就采用了戴维宁端接。

5、RC端接

RC端接在并联下拉端接的电阻下面增加一颗电容，并下拉到地，所以RC端接是由一颗电阻和一颗电容组成的端接。RC端接也可以看作是一种并联端接。电阻值的大小等于传输线的阻抗，电容值通常取值比较小。RC端接电路的拓扑，如下图所示：

▲RC端接拓扑结构 使用RC端接后，其接收端的信号波形，如下图所示：

▲RC端接后的信号波形

从接收端的波形分析，RC端接也使过冲基本被消除了。RC端接能非常好的消除源端带来的反射影响，但是RC电路也有可能导致新的反射。由于RC端接电路中有电容存在，所以电路静态时的直流功耗非常小。 信号波形的低电平电压提升了很多，所以RC端接后电路的噪声容限被降低。RC端接后，由于引入了RC延时电路，所以信号波形边沿也明显的变缓慢，其变化程度与RC端接的电阻值和电容值有直接关系。所以，RC端接并不适合非常高速的信号及时钟电路的端接。同时，RC端接方式需要使用电阻和电容两颗器件。

从上面分析的几种电阻端接类型来看，基本都能达到电路匹配端接的效果，使信号在传递过程中保持信号不失真，即满足信号完整性的设计要求。对于电子产品设计而言，这是一个系统工程，其中涉及各个方面，包括信号完整性设计与电源完整性，也包括电磁兼容性、电路可靠性、可加工性、成本等。那么，在使用电阻端接来解决反射问题时，也要考虑到这些方面的原因。在实际项目的应用中，就需要根据项目工程的应用选择电阻端接的类型。 总而言之，从电气性能的角度来讲，电阻端接匹配不仅仅可以改善信号质量，还可以用于控制信号边沿变化的速率，即控制信号的上升时间；也可以改变信号电平的类型，即起到转换的作用。

 编辑：黄飞