信号完整性的反射因素详解

1 容性分支在传输线中间引起的反射影响

附着在走线中间的测试点 ， 通孔， 封装引线，甚至一小段分支，作用就像一个集总电容 。下图所示就是一个电容加在走线中间时，发射电压和反射电压的仿真结果。

图为电容最初的阻抗较低，反射回源端的信号将有轻微的负极性偏向。下图所示的情况是上升时间为 0.5ns，容分别为 0，2, 5, 10pF 的情况 。

发射信号最初不会受到影响，但是当它从走线末端返回到源端时，就会受到影响 。返问信号再次遇到电容， 其中一些信号将带有负号，反射回远端 。这些反射回到接收端就为负电压，使接收到的信号下降，导致下冲。

输线中间理想电容的影响依赖于信号的上升时间和电容的大小。电容越大，阻抗越小 ，会产生更大的负极性反射电压，导致接收端出现更大的下冲。

在时域内，电容的阻抗为：

如果信号是线性倾斜的，带有上升时间为 RT, dV/dt 变为 V/RT，电容的阻抗为：

在上升时间的时间间隔内，信号线与返回路径间的电容是分流阻抗 Zcap， 跨越传输线的分流阻抗会导致反射。如下图所示。为了使该阻抗的存在不产生严重问题， 希望这个阻抗比传输线的阻抗大的多，即希望 Zcap>>Z0 作为起始位置，Zcap＞5*Z0则电容和上升时间约束条件为 ：

Cmax ＝反射噪声可能成问题之前，可接受的电容的最大值，单位为 nF。

2 短分支传输线的反射影响

分析短线的影响是比较复杂的，因为要考虑很多反射的问题。当信号离开驱动端，首先会遇到分支点 。这里我们会看到两段传输线并联产生一个低的阻抗，则一个负反射将会返回到源端 。两个重要的因素可决定分支对信号完整性的影响，即信号的上升时间和分支的长度。

设分支位于传输线的中间，并且与传输线有相同的阻抗 。下图所示了在分支长度从上时间的 20 %增加到 60% 时，对发射信号和反射信号仿真的结果 。

根据经验规则， 分支的长度保持小于上升时间延展的 20%，则分支的影响就不重要。反之对信号就会产生影响。经验规则用式子来表示：

其中 Lstubmax 为可接受的分支长度的最大值，单位为 inch; RT 为信号的上升时间，单位为s；

例如，对于1ns 的上升时间，应保持分支长度小于 1inch。很明显 ， 当上升时间变短时，将分支长度减小，使其不影响到信号的完整性，就变得越来越困。

3 拐角和通孔的影响

当信号沿着均匀的互连线传输时，发射信号不存在反射及失真。如果均匀互连线存在 90的弯曲，就有阻抗的改变，则发生反射及信号的失真。90度的拐角导致了均匀互连线阻抗的不连续性，影响了信号的完整性。

下图所示是对上升时间为50psec 的信号所作的 TDR响应，附近有2个90 度的拐角，阻抗不连续性而导致反射，线宽为 65mil，阻抗为50欧姆。

将 90 度的拐角转换为 45 度的弯曲将会减小这种影响，如果改用常宽的圆弧状弯曲，影会进一步减小。

拐角对信号传输线的唯一影响是由于走线弯曲处的额外宽度 。这个额外的线宽作用就像个容性的不连续性。这个容性的不连续性导致了信号的反射和时延 。

如果走线的弯曲处是常宽的，走线宽度没有改变，信号在拐弯的每一点遇到的阻抗都是

相同的， 那么就不会有反射。下图表明了拐角代表了正方形的一部分，粗略的估计，有正方形的一半。

拐角的电容可从正方形的电容以及走线单位长度的电容来估算：

走线单位长度的电容与走线的特性阻抗有关：

对拐角电容的估计为：

我们可以把这个估算概括成为一个方便记忆的经验规则，在 50 欧姆的传输线中，拐角所带来的相关电容为2 ×线宽 。线宽单位为 mil，电容单位为 fF。

若仍然保持 50 欧姆的阻抗，而线宽变窄，则拐角所带来的电容将变小，影响就不明显 。对于高密度电路板上的标准信号线， 5mils的线宽，管脚的电容为 10fF。

10fF的电容所带来的反射噪声信号的上升时间，根据公式

上升时间为 0.010pF/4~3ps.
10fF的电容所带来的信号的时延，根据公式

时延为 0. 5× 50× 0.01pF=0.25ps 。

如果用通孔来连接一根信号线与测试点，或是与相邻板层的另一根信号线相连，通孔会对于电路板的不同层具有过多的电容。这时，通孔可看作是一个集总的电容负载 。

通孔的电容大小依赖于孔的大小，隔离孔，板的表层及底层焊点的大小 。它的大小可从 0. 1pF 到超过1pF 的范围 。信号线上的任一通孔都可看作是容性的不连续性，在高速互连中，是影响信号完整性的主要因素 。

4 载重线的反射影响

当传输线上有一个容性负载时，信号会发生失真，并且上升时间下降。如果有多个负载布在传输线上，如果间隔与信号上升时间的空间延展相比要短，则从每个电容性不连续的反射会消除 。带有均匀间隔分布的容性负载的传输线叫做载重线 。

每个不连续段都可看作是较低阻抗的区域。如果上升时间与电容间的时延相 比要短时，每个间断的作用对信号来讲就像离散的不连续性 。如果上升时间与电容间的时延相比要长，低阻抗区域叠加， 整个线的平均阻抗更低。

对于三个不同的上升时间，载重线的反射信号如图示。在该例中，5个3pF的电容每隔1inch 分布在50欧姆的传输线上，走线的最后10inch没有负载。

对于开始的几个电容，可看到明显的不连续性，但是后几个的电容带来的不连续性被消 。当上升时间与电容间时延相比要长时，均匀分布的容性负载产生的效果，即走线的表面来的特性阻抗降低。在这种负载线中，单位长度的阻抗增加意味着特性阻抗更低，时延更。

在均匀的，未加电容负载的传输线中，特性阻抗和时延与单位长度的电容和电感有关：

如果有均匀分布的电容负载，每个负载为 C1间隔为d1， 走线上单位长度分布的电容从C0L增加到（C0L+C1/d1）.特性阻抗和响应的时延为：

可见，当增加分布的电容负载时，走线的特性阻抗降低，则端接电阻也应降低 。