什么是反射噪音？它對(duì)定制PCB的功能有什么影響？如何通過(guò)更好的設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)緩解它？

這篇文章是受到“信號(hào)完整性院長(zhǎng)”啟發(fā)的系列文章之一，Eric Bogatin博士在Altium Live 2018上的主題演講。

該系列的其他文章包括：

什么是電感以及它如何應(yīng)用于接地反彈？

如何減少接地反彈：使用PCB設(shè)計(jì)降低噪聲最佳實(shí)踐。

最小阻抗路徑：如何使用返回路徑實(shí)現(xiàn)更好的PCB設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)介紹反射噪聲以及如何通過(guò)智能布局減少噪聲選擇。

什么是反射噪聲？

每當(dāng)我們從PCB上的一個(gè)數(shù)字集成電路向另一個(gè)數(shù)字集成電路發(fā)送信號(hào)時(shí)，我們就會(huì)改變狀態(tài)。信號(hào)線。狀態(tài)的變化以及電磁場(chǎng)中伴隨的變化可以描述為當(dāng)波在電路中移動(dòng)時(shí)的波。波浪是將能量從一個(gè)位置傳遞到另一個(gè)位置的現(xiàn)象，導(dǎo)體引導(dǎo)傳播路徑。

當(dāng)電線的電位發(fā)生變化時(shí)，這是對(duì)電線周?chē)拍艿囊环N藝術(shù)印象。

當(dāng)反射噪聲產(chǎn)生時(shí)電磁波遇到從一個(gè)介質(zhì)到下一個(gè)介質(zhì)的邊界。當(dāng)波遇到邊界時(shí)，部分能量作為信號(hào)傳播，部分能量被反射。

這個(gè)動(dòng)畫(huà)說(shuō)明，當(dāng)波浪從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，并非所有能量都被傳輸 - 一部分能量被反射回其源頭。

對(duì)于電氣工程師來(lái)說(shuō)，發(fā)生這種邊界的介質(zhì)通常用其電阻來(lái)描述;也就是說(shuō)，邊界是阻抗變化的地方。

阻抗由電阻和電抗元件組成。電阻器將電路的能量作為熱量耗散。電路中的可恢復(fù)能量存在于滲透并圍繞導(dǎo)體，電感器和電容器的電磁場(chǎng)中。

每當(dāng)電路中的阻抗發(fā)生變化時(shí)，一定量的反射將會(huì)發(fā)生。反射波將返回下一個(gè)邊界（阻抗發(fā)生變化的位置）并再次反射。

此1D波形圖顯示了兩點(diǎn)之間反射的波脈沖。能量隨時(shí)間/距離衰減。

該過(guò)程將無(wú)限期地持續(xù)，直到能量被電路吸收或消散到環(huán)境中。

為什么反射噪聲成問(wèn)題？

對(duì)于信號(hào)線，驅(qū)動(dòng)器和接收器上會(huì)有反射點(diǎn)。工程師的工作是盡量減少反射信號(hào)的數(shù)量，并通過(guò)阻抗匹配最大化傳輸信號(hào)的數(shù)量。

如果不可能，額外的能量需要在積累和淹沒(méi)之前消散。輸出帶有噪聲的信號(hào)。

如果反射脈沖的能量在下一個(gè)脈沖產(chǎn)生之前沒(méi)有消散，那么能量將累積并增加一種稱(chēng)為疊加的現(xiàn)象。幸運(yùn)的是，信號(hào)在通過(guò)電阻元件時(shí)會(huì)衰減。所以一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)電阻將消除大多數(shù)振鈴。

評(píng)估數(shù)字信號(hào)中的噪聲

傅里葉定理教導(dǎo)任何波或波脈沖都可以分解成一系列正弦和/或余弦波。如果你想更深入地了解這個(gè)概念，我推薦這個(gè)視頻在伊利諾伊大學(xué)的Bill Hammack的諧波分析儀上。

如果你有一個(gè)足夠小的上升/下降時(shí)間，一個(gè)脈沖可以保持?jǐn)?shù)十個(gè)小振幅波。

在下圖中，您可以看到無(wú)阻尼數(shù)字信號(hào)切換邏輯狀態(tài)從低到高。

在TI Lightcrafter上捕獲的無(wú)阻尼數(shù)字信號(hào)（黃色，通道1），因?yàn)樗鼘⑦壿嫚顟B(tài)從低切換為現(xiàn)在看看下面的圖像，其中左圖顯示了復(fù)合波脈沖通過(guò)逐漸疊加的減小幅度的奇次諧波而產(chǎn)生的復(fù)合波脈沖，現(xiàn)在看看下面的圖像。原始波。對(duì)于實(shí)際感興趣的信號(hào)，我們可以將波形分解為一系列正弦波。

如上圖所示，真正的數(shù)字信號(hào)具有較大的帶寬，并且該能量的任何部分都可能在電路中產(chǎn)生共振。這與具有非常窄的帶寬且易于計(jì)算共振的RF信號(hào)形成對(duì)比。

如果你設(shè)法產(chǎn)生駐波，你將產(chǎn)生巨大的噪聲源，可以壓倒附近的任何信號(hào)線

這個(gè)gif表明在特定波長(zhǎng)反射的波（橙色）可以與其反射相結(jié)合（藍(lán)色）創(chuàng)建一個(gè)高振幅駐波（綠色）。這種現(xiàn)象將發(fā)生在1/2波長(zhǎng)的奇整數(shù)倍處，其中波長(zhǎng)是跡線長(zhǎng)度的兩倍。

如何降低反射噪聲

您可以使用幾種方法來(lái)管理設(shè)計(jì)中的反射噪聲。以下是您可以使用的一些技術(shù)的概述。

保持恒定阻抗

您應(yīng)該考慮的第一件事是如何保持跟蹤的恒定阻抗只要有可能。請(qǐng)記住：當(dāng)阻抗發(fā)生變化時(shí)會(huì)發(fā)生反射。

計(jì)算跡線的阻抗

為了保持恒定的阻抗，你要'我需要能夠計(jì)算出跡線的阻抗。您的PCB程序應(yīng)該允許您這樣做，但也有在線工具可供使用。

一旦確定了跟蹤和空間寬度，請(qǐng)沿著路線維護(hù)它們。

跡線的一致性

要保持差分對(duì)或單端跡線的恒定阻抗，必須保持恒定的跡線寬度，恒定間距和常數(shù)與所有其他導(dǎo)體分離。如果使用隨機(jī)軌跡在阻抗控制對(duì)上進(jìn)行路由，則會(huì)改變阻抗并創(chuàng)建反射點(diǎn)。

使用阻抗變化的阻抗匹配電路

當(dāng)你必須改變時(shí)阻抗（例如從線性放大器到天線），使用阻抗匹配電路（使用史密斯圖表，在線工具等計(jì)算......）。

減少反射點(diǎn)

您還可以考慮如何首先減少反射點(diǎn)的出現(xiàn)。

在電路板邊緣觀察過(guò)孔

對(duì)于高速電路設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，Vias可能是個(gè)問(wèn)題。如果通孔超出信號(hào)走線延伸到未使用的層，則電路的阻抗會(huì)突然改變。在電路板邊緣的過(guò)渡處，存在阻抗不匹配，因?yàn)檑E線離開(kāi)通孔（~50-150歐姆）并進(jìn)入空氣（~377歐姆）。這會(huì)在該位置產(chǎn)生反射點(diǎn)，嚴(yán)重降低信號(hào)。

反鉆您的過(guò)濾器

解決方案是讓您的PCB制造商“反鉆”您的過(guò)孔在未使用的外層上從板上移除通孔。反鉆通過(guò)顯著改善邏輯轉(zhuǎn)換。

來(lái)自Sanmina-SCI的反鉆過(guò)孔

緩解現(xiàn)有反射噪聲

使用阻尼電阻

另一項(xiàng)重要技術(shù)是在所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)源附近串聯(lián)使用阻尼電阻，并具有快速上升/下降時(shí)間。這有時(shí)被稱(chēng)為緩沖電阻。

任何發(fā)生的信號(hào)反射都將每次通過(guò)電阻器都會(huì)快速衰減。這些通常是靠近驅(qū)動(dòng)信號(hào)源（例如，時(shí)鐘源，GPIO等）放置的<100Ω電阻。

一般的想法是創(chuàng)建一個(gè)阻尼電路 - 信號(hào)上升到適當(dāng)?shù)倪壿嬰娖揭淮危瑳](méi)有過(guò)多的過(guò)沖和振鈴。

摘要

對(duì)于高速信號(hào)線，保持恒定阻抗對(duì)于設(shè)計(jì)工作電路至關(guān)重要。將信號(hào)從一個(gè)IC移動(dòng)到另一個(gè)IC時(shí)，請(qǐng)使用阻尼電阻以防止振鈴。

如果您有其他意見(jiàn)或問(wèn)題，請(qǐng)?jiān)谙旅娣窒恚?/p>