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信號振鈴怎么產生的？

信號的反射可能會引起振鈴現象，一個典型的信號振鈴如下圖所示。

那么信號振鈴是怎么產生的呢？

前面講過，如果信號傳輸過程中感受到阻抗的變化，就會發生信號的反射。這個信號可能是驅動端發出的信號，也可能是遠端反射回來的反射信號。根據反射系數的公式，當信號感受到阻抗變小，就會發生負反射，反射的負電壓會使信號產生下沖。

信號在驅動端和遠端負載之間多次反射，其結果就是信號振鈴。大多數芯片的輸出阻抗都很低，如果輸出阻抗小于PCB走線的特性阻抗，那么在沒有源端端接的情況下，必然產生信號振鈴。

信號振鈴的過程可以用反彈圖來直觀的解釋。假設驅動端的輸出阻抗是10歐姆，PCB走線的特性阻抗為50歐姆（可以通過改變PCB走線寬度，PCB走線和內層參考平面間介質厚度來調整），為了分析方便，假設遠端開路，即遠端阻抗無窮大。驅動端傳輸3.3V電壓信號。我們跟著信號在這條傳輸線中跑一個，看看到底發生了什么？為分析方便，忽略傳輸線寄生電容和寄生電感的影響，只考慮阻性負載。（如下圖為反射示意圖）

第1次反射：信號從芯片內部發出，經過10歐姆輸出阻抗和50歐姆PCB特性阻抗的分壓，實際加到PCB走線上的信號為A點電壓3.3*50/（10 50）=2.75V。傳輸到遠端B點，由于B點開路，阻抗無窮大，反射系數為1，即信號全部反射，反射信號也是2.75V。此時B點測量電壓是2.75 2.75=5.5V。

第2次反射：2.75V反射電壓回到A點，阻抗由50歐姆變為10歐姆，發生負反射，A點反射電壓為-1.83V，該電壓到達B點，再次發生反射，反射電壓-1.83V。此時B點測量電壓為5.5-1.83-1.83=1.84V。

第3次反射：從B點反射回的-1.83V電壓到達A點，再次發生負反射，反射電壓為1.22V。該電壓到達B點再次發生正反射，反射電壓1.22V。此時B點測量電壓為1.84 1.22 1.22=4.28V。

第4次反射：。。。。。。。。。

第5次反射：。。。。。。。。。

如此循環，反射電壓在A點和B點之間來回反彈，而引起B點電壓不穩定。觀察B點電壓：5.5V-》1.84V-》4.28V-》……，可見B點電壓會有上下波動，這就是信號振鈴。

信號振鈴根本原因是負反射引起的，其罪魁禍首仍然是阻抗變化，又是阻抗！在研究信號完整性問題時，一定時時注意阻抗問題。

負載端信號振鈴會嚴重干擾信號的接受，產生邏輯錯誤，必須減小或消除，因此對于長的傳輸線必須進行阻抗匹配端接。

02

信號反射

信號沿傳輸線向前傳播時，每時每刻都會感受到一個瞬態阻抗，這個阻抗可能是傳輸線本身的，也可能是中途或末端其它元件的。對于信號來說，它不會區分到底是什么，信號所感受到的只有阻抗。如果信號感受到的阻抗是恒定的，那么它就會正常向前傳播，只要感受到的阻抗發生變化，不論是什么引起的（可能是中途遇到的電阻，電容，電感，過孔，PCB轉角和接插件），信號都會發生反射。

那么有多少被反射回傳輸線的起點？

衡量信號反射量的重要指標是反射系數，表示反射電壓和原傳輸信號電壓的比值。反射系數定義為：

其中：Z1為變化前的阻抗，Z2為變化后的阻抗。假設PCB線條的特性阻抗為50歐姆，傳輸過程中遇到一個100歐姆的貼片電阻，暫時不考慮寄生電容電感的影響，把電阻看成理想的純電阻，那么反射系數為：

信號有1/3被反射回源端。如果傳輸信號的電壓是3.3V電壓，反射電壓就是1.1V。

純電阻性負載的反射是研究反射現象的基礎，阻性負載的變化無非是以下四種情況：阻抗增加有限值、減小有限值、開路（阻抗變為無窮大）、短路（阻抗突然變為0）。

2.1 阻抗增加有限值：

反射電壓上面的例子已經計算過了。這時，信號反射點處就會有兩個電壓成分，一部分是從源端傳來的3.3V電壓，另一部分是反射電壓1.1V，那么反射點處的電壓為二者之和，即4.4V。

2.2 阻抗減小有限值：

仍按上面的例子，PCB線條的特性阻抗為50歐姆，如果遇到的電阻是30歐姆，則反射系數為ρ=（30-50）/（30 50）=-0.25，反射系數為負值，說明反射電壓為負電壓，值3.3V*（-0.25V）=-0.825V，此時反射點電壓為3.3V （-0.825V）=2.475V。

2.3 開路：

開路相當于阻抗無窮大，反射系數按公式計算為1。即反射電壓3.3V。反射點處電壓為6.6V。可見，在這種極端情況下，反射點處電壓翻倍了。

2.4 短路：

短路時阻抗為0，電壓一定為0。按公式計算反射系數為-1，說明反射電壓為-3.3V，因此反射點電壓為0。

計算非常簡單，重要的是必須知道，由于反射現象的存在，信號傳播路徑中阻抗發生變化的點，其電壓不再是原來傳輸的電壓。這種反射電壓會改變信號的波形，從而可能會引起信號完整性問題。這種感性的認識對研究信號完整性及設計電路板非常重要，必須在頭腦中建立起這個概念。

審核編輯：郭婷