信号完整性之反射(四)

10 传输线中某一段传输线宽度和阻抗变化对反射的影响

现在的芯片管脚越来越多，管脚间距越来越小。有些走线即使想做阻抗控制，也受限于芯片管脚数和管脚间距，在芯片下方走线不得不变窄。当这些走线从芯片下方走出来后，宽度又会恢复到阻抗要求的值。如下图所示，黄色部分的走线是在SOC下方(红框中)走过，线宽比较窄。走出SOC之后(红框外面)，走线变粗。在走线宽度变化点，就是阻抗突变点。

走线变窄，阻抗变大。走线变宽，阻抗变小。

问题来了，多长的线段、多大的阻抗变化会造成信号完整性问题呢?针对这个问题，有三个因素影响信号完整性，这段阻抗突变走线的长度、阻抗突变的阻抗值、传输在这段走线上的信号上升时间。

(一)传输线阻抗偏差(阻抗突变)对信号的影响

上一篇提到过，希望反射信号(噪声)要小于电压摆幅5%。想达到这个目的，就需要保证传输线特性阻抗变化率小于10%。这也是为什么很多芯片的design guide中要求高速信号阻抗控制的公差是±10%的原因。

如下仿真电路，在源端和负载端之间有两段串联的传输线组成，即TL2和TL1。TL2类似上图中在芯片下方宽度较窄的走线。TL1类似红框外面，正常宽度(50R阻抗控制)的走线。通过仿真，调整TL2的阻抗，看看TL2的阻抗突变对信号有什么影响。首先将TL2的阻抗控制在50R±10%

本仿真电路中，电压标准摆幅是1.35V(因为是LPDDR3)，那么电压摆幅的±5%分别为

上限：1.35+1.35x5%=1.4175V

下限：1.35-1.35x5%=1.2825V

即信号振荡(包括振铃)不超过这两个限值即可。

如下为TL2传输线阻抗分别设置为55R，50R和45R时的仿真结果。可以看到TL2传输线阻抗控制在±10%时，虽然有振荡，仿真结果显示的电压摆幅都在1.35V的±5%之内。

接下来，如下图，将TL2传输线阻抗调大到50R±15%。

可以看到TL2传输线阻抗为57.5R或者42.5R时，信号摆幅已经很接近1.35±5%的限值。考虑到实际的PCB生产中，实物并非如理论那般精确(例如理论上一条导线是根长方体，即上下一样宽。实际PCB生产时，一条导线的上边比下边窄，是一种梯形体)。实际信号摆幅很有可能会超过5%的限值。因此阻抗控制在Z0±10%之内，是我们在设计中要遵守的一个规则。

(二)有阻抗偏差的传输线长度对信号的影响

阻抗突变线(本文开头那张图，红色框中芯片下方，宽度变窄的走线)越短，反射对信号完整性的影响越小。那么问题是，这段走线多短，才不会影响信号完整性呢。和上一篇中提到的结果一样，当时延小于上升时间的20%时，反射几乎看不见。当时延超过上升时间的20%时，振铃就会明显了。因此当时延TD>Tr x 20%时，这段阻抗突变线对信号完整性的影响就比较大了。

例如某信号的上升时间是Tr(ns)，某段走线的长度时L(in)，因为针对FR4的走线，信号速度是6in/ns，信号延迟是TD，因此

经验结论是：即当走线长度L大于1.2倍的Tr时，这段走线会影响信号完整性。当走线长度L小于1.2倍的Tr时，这段走线对信号完整性的影响比较小。

如下是电路仿真，设置信号频率是200MHz

首先测量信号的上升时间(注：有些芯片的IBIS模型中会给出上升时间)。我使用的这颗芯片，是仿真软件自带的IBIS模型。在其中没有找到相关参数，因此我试着自己测量它的上升时间。按照10%~90%的电压振幅，测量上升时间如下图大约在195ps，即0.195ns

按照经验公式，当TL2的长度L>信号上升时间的1.2倍时，即当TL2的长度达到0.234in时，这段阻抗突变的走线就会影响信号质量了。

本次仿真信号上升时间Tr=0.195ns，Tr的1.x倍如下：

Tr x 1=0.195

Tr x 1.1=0.214

Tr x 1.2=0.234

Tr x 1.3=0.253

设计仿真电路，调整TL2的长度，分别为0.195/0.214/0.234/0.253in，看看结果是什么。

仿真结果如下：

按照要求，按照电压摆幅不能超过5%，

上限：1.35+1.35x5%=1.4175V

下限：1.35-1.35x5%=1.2825V

当TL2的长度是Tr上升时间的1.2倍时，仿真波形的电压摆幅已经很接近极限值。当TL2的长度是Tr上升时间的1.3倍时，仿真波形的电压摆幅超过极限值。

本文结论：因此针对本文的话题，传输线中某一段走线阻抗突变了，为了使这段阻抗突变走线不至于影响信号质量，需要：

(1)阻抗突变控制在目标阻抗的±10%以内

(2)阻抗突变的走线长度不超过信号上升时间的1.2倍，最好是阻抗突变的走线长度不超过信号上升时间的1倍。此处走线长度单位是in，信号上升时间单位是ns。

注：就我的理解(不一定准确)，以上两个条件满足其中任何一个，都对信号质量有好的改善。当然两个都做到最好。