文档介绍：第4章高速电路信号完整性分析与设计-高速信号的
反射分析

高速数字信号的反射是影响现代数字电路设计的重要因素之一,严重的反射将破坏信号
的完整性,并引起过冲现象,从而出现错误的数字逻辑和毁坏器件。本章详细分析了信号反射
产生机理和现象,并给出了反射解决的方案。
信号反射的现象
反射的基本概念
反射就是在传输线上的回波。如果一传输线电尺寸满足长线时,且没有被合理的端接(终
端匹配),那么来自于驱动端的信号脉冲在接收端被反射,从而引发不预期效应,使信号轮廓
失真。反射是传输线的基本效应, 即当信号沿着传输线前行时,碰到阻抗不连续时会发生反
射:
,会发生正向反射,使信号边沿的幅度增加,信
号边沿出现过冲。从定义上来说,过冲就是指接收信号的第一个峰值或谷值超过设定电压
——对于上升沿是指第一个峰值超过最高电压;对于下降沿是指第一个谷值超过最低电压。
2. 当信号在传输时碰到比目前阻抗低时,会发生负向反射,使信号边沿的幅度减小,
信号边沿出现台阶,即欠冲。严重时将可能产生假时钟信号,导致系统的误读写操作。
如果在一个时钟周期中,反复的出现过冲和欠冲,我们就称之为振荡,也叫振铃。振荡是
电路中因为反射而产生的多余能量无法被及时吸收的结果。图所示的波形就是一个明显
存在过冲,欠冲,振荡的例子。

图存在反射现象的信号波形
在 PCB 设计中,反射通常由连线阻抗的不匹配造成,如:不同布线层阻抗不一样、T 型
连接、过孔、线宽的变化、器件的输入输出阻抗,封装寄生参数等等。以图所示的理想
传输线模型来分析与信号反射有关的重要参数。

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L
A B
+ +
Z0
R0
+ VA VB RL
VS AA AA
-
- -
源端负载端
图理想传输线模型及相关参数

理想传输线 L 被内阻为 R0 的数字信号驱动源 VS 驱动,传输线的特性阻抗为 Z0,负载阻抗
为 RL。理想的情况是当 R0=Z0=RL 时,传输线的阻抗是连续的,不会发生任何反射,但能量
一半消耗在源内阻 R0 上,另一半消耗在负载电阻 RL 上(传输线无直流损耗,即无耗传输线)。
如果负载阻抗大于传输线的特性阻抗,Z0<RL 那么负载端多余的能量就会反射回源端,
由于负载端没有吸收全部能量,称为欠阻尼。如果负载阻抗小于传输线的特性阻抗,即 Z0>
RL,负载试图消耗比当前源端提供的能量更多的能量,称为过阻尼。欠阻尼和过阻尼都会产
生反向传播的波形,某些情况下在传输线上会形成驻波(有三种情况,将在下面进行讨论)。
当 Z0=RL 时,负载完全吸收到达的能量,没有任何信号反射回源端,称为临界阻尼。从系统
设计的角度来看,由于临界阻尼情况很难满足,所以最可靠适用的方式轻微的过阻尼,因为
这种情况没有能量反射回源端。
负载端阻抗与传输线阻抗不匹配会在负载端(B 点)反射一部分信号回源端(A 点),反
射电压信号的幅值由负载反射系数ρL 决定,见下式:

RL  Z 0
 L ()
RL  Z 0
- +
()式中,ρL 称为负载电压反射系数,其定义式是反射电压与入射电压之比:ρL=v /v 。
由式(1)可见,-1≤ρL≤+1。另外当 RL=Z0 时,ρL=0,将不产生反射。即只要根据传
输线的特性阻抗进行终端匹配,就能消除反射。从原理上说,反射波的幅度可以大到入射电
压的幅度,极性可正可负。当 RL<Z0 时,ρL<0,处于过阻尼状态,反射波极性为负;当 RL>Z0
时,ρL>0,处于欠阻尼状态,反射波极性为正。
如果传输线由两段不同特性阻抗的传输线组成,则连接点处也会产生信号的反射。传输
线上出现的分叉点就是这样一个阻抗不连续点(断点)。
反射信号产生的主要原因:过长的走线;未被匹配终结的传输线,过量电容或电感以及
阻抗失配。
当信号在线终端处的阻抗不连续点被反射时,信号的一部分将反射回源头。当反射信号
到达源头时,若源头端阻抗不等于传输线阻抗就将产生二次反射。因此若传输线的两端都存
在阻抗不连续,信号将在驱动线路和接收线路之间来回反射。信号的反射波因传输线的损耗
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将最后达到直流稳态。
如图所示为几个TD 的时间区间的一个例子(TD 为从源到负载的传输线的时间延迟)。
VsZo
当信号源为 Vs,传输线上的初始电压 Vi 决定于分压式Vi 。当 t=T 时,初始电
Zo Rs D
压 Vi 达到