什么是反射噪音？它對定制PCB的功能有什么影響？如何通過更好的設計實踐來緩解它？

這篇文章是受到“信號完整性院長”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用于接地反彈？

如何減少接地反彈：使用PCB設計降低噪聲最佳實踐。

最小阻抗路徑：如何使用返回路徑實現(xiàn)更好的PCB設計

本文重點介紹反射噪聲以及如何通過智能布局減少噪聲選擇。

什么是反射噪聲？

每當我們從PCB上的一個數(shù)字集成電路向另一個數(shù)字集成電路發(fā)送信號時，我們就會改變狀態(tài)。信號線。狀態(tài)的變化以及電磁場中伴隨的變化可以描述為當波在電路中移動時的波。波浪是將能量從一個位置傳遞到另一個位置的現(xiàn)象，導體引導傳播路徑。

當電線的電位發(fā)生變化時，這是對電線周圍磁能的一種藝術印象。

當反射噪聲產(chǎn)生時電磁波遇到從一個介質到下一個介質的邊界。當波遇到邊界時，部分能量作為信號傳播，部分能量被反射。

這個動畫說明，當波浪從一種介質傳播到另一種介質時，并非所有能量都被傳輸 - 一部分能量被反射回其源頭。

對于電氣工程師來說，發(fā)生這種邊界的介質通常用其電阻來描述;也就是說，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。電路中的可恢復能量存在于滲透并圍繞導體，電感器和電容器的電磁場中。

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

此1D波形圖顯示了兩點之間反射的波脈沖。能量隨時間/距離衰減。

該過程將無限期地持續(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題？

對于信號線，驅動器和接收器上會有反射點。工程師的工作是盡量減少反射信號的數(shù)量，并通過阻抗匹配最大化傳輸信號的數(shù)量。

如果不可能，額外的能量需要在積累和淹沒之前消散。輸出帶有噪聲的信號。

如果反射脈沖的能量在下一個脈沖產(chǎn)生之前沒有消散，那么能量將累積并增加一種稱為疊加的現(xiàn)象。幸運的是，信號在通過電阻元件時會衰減。所以一個簡單的串聯(lián)電阻將消除大多數(shù)振鈴。

評估數(shù)字信號中的噪聲

傅里葉定理教導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概念，我推薦這個視頻在伊利諾伊大學的Bill Hammack的諧波分析儀上。

如果你有一個足夠小的上升/下降時間，一個脈沖可以保持數(shù)十個小振幅波。

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

在TI Lightcrafter上捕獲的無阻尼數(shù)字信號（黃色，通道1），因為它將邏輯狀態(tài)從低切換為現(xiàn)在看看下面的圖像，其中左圖顯示了復合波脈沖通過逐漸疊加的減小幅度的奇次諧波而產(chǎn)生的復合波脈沖，現(xiàn)在看看下面的圖像。原始波。對于實際感興趣的信號，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算共振的RF信號形成對比。

如果你設法產(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線

這個gif表明在特定波長反射的波（橙色）可以與其反射相結合（藍色）創(chuàng)建一個高振幅駐波（綠色）。這種現(xiàn)象將發(fā)生在1/2波長的奇整數(shù)倍處，其中波長是跡線長度的兩倍。

如何降低反射噪聲

您可以使用幾種方法來管理設計中的反射噪聲。以下是您可以使用的一些技術的概述。

保持恒定阻抗

您應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。請記住：當阻抗發(fā)生變化時會發(fā)生反射。

計算跡線的阻抗

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

一旦確定了跟蹤和空間寬度，請沿著路線維護它們。

跡線的一致性

要保持差分對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)與所有其他導體分離。如果使用隨機軌跡在阻抗控制對上進行路由，則會改變阻抗并創(chuàng)建反射點。

使用阻抗變化的阻抗匹配電路

當你必須改變時阻抗（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，在線工具等計算......）。

減少反射點

您還可以考慮如何首先減少反射點的出現(xiàn)。

在電路板邊緣觀察過孔

對于高速電路設計人員來說，Vias可能是個問題。如果通孔超出信號走線延伸到未使用的層，則電路的阻抗會突然改變。在電路板邊緣的過渡處，存在阻抗不匹配，因為跡線離開通孔（~50-150歐姆）并進入空氣（~377歐姆）。這會在該位置產(chǎn)生反射點，嚴重降低信號。

反鉆您的過濾器

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

來自Sanmina-SCI的反鉆過孔

緩解現(xiàn)有反射噪聲

使用阻尼電阻

另一項重要技術是在所有驅動信號源附近串聯(lián)使用阻尼電阻，并具有快速上升/下降時間。這有時被稱為緩沖電阻。

任何發(fā)生的信號反射都將每次通過電阻器都會快速衰減。這些通常是靠近驅動信號源（例如，時鐘源，GPIO等）放置的<100Ω電阻。

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

摘要

對于高速信號線，保持恒定阻抗對于設計工作電路至關重要。將信號從一個IC移動到另一個IC時，請使用阻尼電阻以防止振鈴。

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