信号完整性研究系列--信号振铃是怎么产生的

来源：于争博士《信号完整性研究》http://www.sig007.com

       信号的反射可能会引起振铃现象，一个典型的信号振铃如图1 所示。

       那么信号振铃是怎么产生的呢？前面讲过，如果信号传输过程中感受到阻抗的变化，就会发生信号的反射。这个信号可能是驱动端发出的信号，也可能是远端反射回来的反射信号。根据反射系数的公式，当信号感受到阻抗变小，就会发生负反射，反射的负电压会使信号产生下冲。信号在驱动端和远端负载之间多次反射，其结果就是信号振铃。大多数芯片的输出阻抗都很低，如果输出阻抗小于PCB 走线的特性阻抗，那么在没有源端端接的情况下，必然产生信号振铃。信号振铃的过程可以用反弹图来直观的解释。假设驱动端的输出阻抗是10 欧姆，PCB 走线的特性阻抗为50 欧姆（可以通过改变PCB 走线宽度，PCB走线和内层参考平面间介质厚度来调整），为了分析方便，假设远端开路，即远端阻抗无穷大。驱动端传输3.3V 电压信号。我们跟着信号在这条传输线中跑一次，看看到底发生了什么？为分析方便，忽略传输线寄生电容和寄生电感的影响，只考虑阻性负载。图2 为反射示意图。

       第1 次反射：信号从芯片内部发出，经过10 欧姆输出阻抗和50 欧 特性阻抗的分压，实际加到PCB 走线上的信号为A 点电压3.3*50/(10+50)=2.75V。传输到远端B 点，由于B 点开路，阻抗无穷大，反射系数为1，即信号全部反射，反射信号也是2.75V。此时B 点测量电压是2.75+2.75=5.5V。

       第2 次反射：2.75V 反射电压回到A 点，阻抗由50 欧姆变为10 欧姆，发生负反射，A 点反射电压为-1.83V，该电压到达B 点，再次发生反射，反射电压-1.83V。此时B 点测量电压为5.5-1.83-1.83=1.84V。

       第3 次反射：从B 点反射回的-1.83V 电压到达A 点，再次发生负反射，反射电压为1.22V。该电压到达B 点再次发生正反射，反射电压1.22V。此时B 点测量电压为1.84+1.22+1.22=4.28V。

       第4 次反射：。。。 。。。 。。。

       第5 次反射：。。。 。。。 。。。

       如此循环，反射电压在A 点和B 点之间来回反弹，而引起B 点电压不稳定。观察B 点电压：5.5V->1.84V->4.28V->……，可见B 点电压会有上下波动，这就是信号振铃。

       信号振铃根本原因是负反射引起的，其罪魁祸首仍然是阻抗变化，又是阻抗！在研究信号完整性问题时，一定时时注意阻抗问题。负载端信号振铃会严重干扰信号的接受，产生逻辑错误，必须减小或消除，因此对于长的传输线必须进行阻抗匹配端接。