信號完整性：PCB走線寬度變化產(chǎn)生的反射

在進(jìn)行PCB布線時(shí)，經(jīng)常會發(fā)生這樣的情況：走線通過某一區(qū)域時(shí)，由于該區(qū)域布線空間有限，不得不使用更細(xì)的線條，通過這一區(qū)域后，線條再恢復(fù)原來的寬度。走線寬度變化會引起阻抗變化，因此發(fā)生反射，對信號產(chǎn)生影響。那么什么情況下可以忽略這一影響，又在什么情況下我們必須考慮它的影響?

有三個因素和這一影響有關(guān)：阻抗變化的大小、信號上升時(shí)間、窄線條上信號的時(shí)延。

首先討論阻抗變化的大小。很多電路的設(shè)計(jì)要求反射噪聲小于電壓擺幅的5%(這和信號上的噪聲預(yù)算有關(guān))，根據(jù)反射系數(shù)公式：

可以計(jì)算出阻抗大致的變化率要求為：

你可能知道，電路板上阻抗的典型指標(biāo)為+/-10%，根本原因就在這。

如果阻抗變化只發(fā)生一次，例如線寬從8mil變到6mil后，一直保持6mil寬度這種情況，要達(dá)到突變處信號反射噪聲不超過電壓擺幅的5%這一噪聲預(yù)算要求，阻抗變化必須小于10%。這有時(shí)很難做到，以 FR4板材上微帶線的情況為例，我們計(jì)算一下。如果線寬8mil，線條和參考平面之間的厚度為4mil，特性阻抗為46.5歐姆。線寬變化到6mil后特性阻抗變成54.2歐姆，阻抗變化率達(dá)到了20%。反射信號的幅度必然超標(biāo)。至于對信號造成多大影響，還和信號上升時(shí)間和驅(qū)動端到反射點(diǎn)處信號的時(shí)延有關(guān)。但至少這是一個潛在的問題點(diǎn)。幸運(yùn)的是這時(shí)可以通過阻抗匹配端接解決問題。

如果阻抗變化發(fā)生兩次，例如線寬從8mil變到6mil后，拉出2cm后又變回8mil。那么在2cm長6mil寬線條的兩個端點(diǎn)處都會發(fā)生反射，一次是阻抗變大，發(fā)生正反射，接著阻抗變小，發(fā)生負(fù)反射。如果兩次反射間隔時(shí)間足夠短，兩次反射就有可能相互抵消，從而減小影響。假設(shè)傳輸信號為1V，第一次正反射有0.2V被反射，1.2V繼續(xù)向前傳輸，第二次反射有 -0.2*1.2 = 0.24v被反射回。再假設(shè)6mil線長度極短，兩次反射幾乎同時(shí)發(fā)生，那么總的反射電壓只有0.04V，小于5%這一噪聲預(yù)算要求。因此，這種反射是否影響信號，有多大影響，和阻抗變化處的時(shí)延以及信號上升時(shí)間有關(guān)。研究及實(shí)驗(yàn)表明，只要阻抗變化處的時(shí)延小于信號上升時(shí)間的20%，反射信號就不會造成問題。如果信號上升時(shí)間為1ns，那么阻抗變化處的時(shí)延小于0.2ns對應(yīng)1.2英寸，反射就不會產(chǎn)生問題。也就是說，對于本例情況，6mil寬走線的長度只要小于3cm就不會有問題。

當(dāng)PCB走線線寬發(fā)生變化時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況仔細(xì)分析，是否造成影響。需要關(guān)注的參數(shù)由三個：阻抗變化有多大、信號上升時(shí)間是多少、線寬變化的頸狀部分有多長。根據(jù)上面的方法大致估算一下，適當(dāng)留出一定的余量。如果可能的話，盡量讓減小頸狀部分長度。

需要指出的是，實(shí)際的PCB加工中，參數(shù)不可能像理論中那樣精確，理論能對我們的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，但不能照搬照抄，不能教條，畢竟這是一門實(shí)踐的科學(xué)。估算出的值要根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)?shù)男抻?，再?yīng)用到設(shè)計(jì)中。如果感覺經(jīng)驗(yàn)不足，那就先保守點(diǎn)，然后在根據(jù)制造成本適當(dāng)調(diào)整。

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