PCB设计中的反射噪声怎样消除

每当我们在PCB上从一个数字集成电路向另一个发送信号时，我们就需要改变信号的状态。这种状态的变化和其伴随的电磁场的变化可以描述为一种在电路中移动的波。波是一种将能量从一个位置通过导线的引导，传递到另一个位置的现象。

当导线的电位发生变化时，导线周围的磁能会发生变化

当电磁波从一种介质传播到另一种介质的边界时，就会产生反射噪声。当波与边界相交时，一部分能量会作为信号传输，另一部分能量会被反射回来。

当波从一种介质传播到另一种介质时，

并非所有能量都被传输，会有一部分能量被反射回其源头

对于电气工程师来说，通常会把这种边界出现的介质叫做电阻抗来，也就是说，边界是阻抗发生变化的地方。

阻抗由电阻和电抗元件组成，电阻以热的形式耗散电路的能量。电路中的可回收能量存在于电磁场中，电磁场渗透并包围着导体、电感器和电容器。

当电路中的阻抗发生变化时，就会发生一定程度的反射。反射波将返回到下一个边界（阻抗变化的位置）并再次发生反射。

这幅一维波图显示了两点之间反射的波脉冲，能量随时间/距离衰减

该过程将无限期地持续，直到能量被电路吸收或消散到环境中。

为什么反射噪声是一个问题

对于信号线而已，你的驱动器和接收器上都会有反射点。工程师的工作就是通过阻抗匹配来最小化反射信号的数量和最大化传输信号的数量。

如果上述情况不能实现，额外积累的能量需要在淹没一个有噪声的信号之前消散。

如果反射脉冲的能量在下一个脉冲产生之前没有消散，能量将积累并叠加。幸运的是，信号通过电阻元件时能量会衰减。所以一个简单的串联电阻是可以消除大部分噪声的。

评估数字信号中的噪声

傅立叶定理告诉我们，任何波或波脉冲都可以分解成一系列正弦波和/或余弦波。如果上升/下降的时间足够短，一个脉冲就可以容纳几十个小振幅波。

在下图中，可以看到无阻尼数字信号转换逻辑状态从低到高。

当TI LightCrafter将逻辑状态从低切换到高时

它捕捉到的无阻尼数字信号（黄色，通道1）

看下面的图像，左边的图像显示了一个复合波脉冲，它是通过原始波的振幅奇次谐波的连续叠加而产生的，我们可以将波形分解为一系列正弦波。

如果你真的设法制造驻波，那将会制造出巨大的噪声源，可以压倒附近的任何信号线。

这幅图显示，在特定波长上反射的波（橙色）可以与反射波（蓝色）结合，形成高振幅驻波（绿色）。这种现象会发生在1/2波长的奇数整数倍处，波长是轨迹长度的两倍。

如何降低反射噪声

在设计中，有几种方法可以用来调整反射噪声。下面是一些你可以使用的技术的概述：

一、保持恒定阻抗

你应该考虑的第一件事是如何尽可能保持跟踪的恒定阻抗。请记住：阻抗变化时会发生反射。

计算记录道的阻抗

为了保持恒定的阻抗，你需要能够计算迹线的阻抗。你的PCB程序应该允许你这样做，但也有在线工具可用。一旦你确定了你的轨迹和空间宽度，就沿着你的路线保持住。

跨记录道一致性

为保持差分对或单端走线的恒定阻抗，必须保持恒定的走线宽度，恒定间距以及与所有其他导线的恒定间隔。如果使用随机迹线在阻抗控制对上进行路由，则将更改阻抗并创建反射点。

在阻抗变化的地方使用阻抗匹配电路

当你必须改变阻抗（例如从线性放大器到天线）时，使用阻抗匹配电路（用史密斯图表、在线工具等计算）。

二、减少反射点

你还可以首考虑如何减少反射点的出现。

在板的边缘观察你的通孔

通孔可能是高速电路设计者的一个问题。如果通孔延伸到信号轨迹以外的未使用层，电路的阻抗会突然改变。在电路板边缘的转换处，当记录道离开VIA（~50-150Ω）进入空气（~377Ω）时，会出现阻抗不匹配。这会在该位置创建一个反射点，从而严重降低信号。

向后钻你的通孔

解决方案是让你的PCB制造商“反钻”你的通孔，以从未使用的外层板上移除通孔，反钻通孔显著改善了逻辑转换。

Sanmina Sci背面钻孔过孔的图像

三、减轻现有反射噪声

使用阻尼电阻

另一项重要技术是在所有驱动信号源附近串联使用阻尼电阻，并可以快速上升/下降。这通常被称为缓冲电阻器。

发生的任何信号反射都将通过电阻快速衰减。这些电阻通常小于100Ω，靠近驱动信号源（例如，时钟源、GPIO等）。

一般的想法是创建一个阻尼电路，在这个电路中，信号上升到适当的逻辑电平一次，没有过度的波动。