信号完整性之初识信号反射
版本号更改描述更改人日期
1.0 第一次撰稿 eco
2013-10-19 E-mial：zhongweidianzikeji@ QQ：2970904654
反射产生的原因
在《和信号完整性有关的几个概念》中我们已经简单的介绍了“反射”这厮。
在下认为
“信号反射”在电路中是不可避免的，不论是高速电路还是低速电路。
而我们只能用一些办
法去优化电路，去优化PCB的布局布线，从而降低反射的大小或者在信号反射时避免对电
路的操作。
为什么信号反射无法完全消除，在高速和低速电路中都会存在，在下鄙见如下：
V = 3x10^8 / sqrξ 式1
其中：V是带状线中信号传播的速度（m/s），3x10^8是光速(m/s)，ξ是介电常数。
由式1可知，信号的传播速度只与物质的介电常数有关，在基材相同的情况下，不论在
高速电路中还是在低速电路中信号都会以相同的速度传播。
在基材为FR4的电路板中，介
电常数ξ一般为4左右，由式1我们可以计算出信号的传播速度V = 3x10^8 / sqr(4) =
1.5x10^8 m/s,转换单位后约为6in/ns，这就是为什么很多资料上喊信号在FR4材料中的传
播速度为6in/ns（注：1mil = 0.0254mm； 1inch = 25.4mm。
对于这个单位转化，感兴趣
的人一定要自己计算计算，享受过程可以让你更快乐更智慧哦）。
1.5x10^8 m/s（6in/ns）
速度极快了吧，设想山间小溪，小溪中的水流以1.5x10^8 m/s流动，流动中突遇一石头便
会荡起无数涟漪，迸射无数水花。
溪中这块石头意味着阻抗失配。
综上所述，我们姑且把这
水流现象近似看作电路中的信号反射。
为了给大家一个直观的感受，在下从网上找了两张图片，见图1、图2。
很多时候有些
东西是说不清道不明的，关键看大家如何去想，如何去悟。
我建议大家应该看着这个水流冥
想一下。
图1 这就是电流
图2 请想象成电流
I’m sorry,说的太远。
在PCB走线中，向前传播的信号每时每刻都会感受到一个瞬态的阻抗，这个阻抗可能是走线的特征阻抗或者是途中碰到的IC器件的输入、输出阻抗，更有甚者是寄生电容在作怪。
有资料表明：
1、TTL系列IC中，逻辑1和逻辑0有着不同的输出电阻，其中逻辑1的输出电阻约为60Ω，逻辑0的输出电阻约为15Ω。
2、CMOS系列IC中，逻辑1和逻辑0的输出电阻基本相同，约为60Ω。
3、ECL系列IC中，逻辑1和逻辑0的输出电阻非常小并且基本相同，约为6Ω。
我觉得说到这里，信号反射无法完全消除已经说明白了，首先信号流动速度如此之快，又走线和IC的阻抗，还有匹配电阻的阻抗是无法达到高度一致的。
总而言之，信号的反射是阻抗不连续性造成的，在layout时我们应极力优化电路的布局布线，以便减小信号的反射现象。
关于反射系数
反射分为两种，其一是正反射，其二是负反射。
区别两种反射我们必先看看什么叫做“反射系数”。
所谓反射系数，它是衡量信号反射量的重要指标。
用公式表示为：
式2
其中：为变化前的阻抗，为变化后的阻抗。
当大于时将产生正反射；当大于时将产生负反射。
首先我们看一个正反射
的例子，让大家对这个反射系数有一个数值上得认识。
假设为走线特征阻抗50Ω，为
负载阻抗100Ω，那么（正）反射系数=（100-50）/（100+50）=1/3。
如果传输信号的电压为3.3V，那么反射电压就是3.3 x （1/3） = 1.1 V，反射电压+信号电压，那么负载端感受到的电压就是 4.4V。
上述就是正反射，它使接收端电压抬高。
接下来让我们看看负反
射是如何影响电路信号的，设为走线特征阻抗50Ω，为负载阻抗30Ω，那么（负）
反射系数=（30-50）/（30+50）= -1/4。
如果传输信号的电压为3.3V，那么反射电压就是3.3 x （-1/4） = -0.825 V，同理，反射电压+信号电压，负载端所感受到的电压为3.3 + （-0.825）= 2.475 V。
很显然负反射使接收端的电压降低。
这里有一张水流图（在上文也出现过），也许它能告诉我们些什么，在这儿姑且称之为“正负反射效果图”。
如图3所示，在正反射效果区水势有所上扬，在负反射效果区水势有些降低。
图3 正负反射效果图
大家不要对反射产生恐惧，其实它对电路的功能影响并不大，但在电路的性能上就必须认真考虑“信号反射”这一概念。
硬件工程师想要设计出健壮如牛的硬件电路就必须认真学习它。
这个“反射”类似于软件中的“指针”，就算我们不用指针也能编出完成功能的软件，但是这个code是否节约资源和是否健壮也许就要打个折扣了。
这一节就写到这里，在下一节中，我们将深入信号反射介绍什么情况影响了阻抗的不连续性和如何降低信号反射。
最后请大家记住，信号反射是由阻抗不连续造成的。
PS：在式2中，我一直怀疑这个公式的正确性，不过看到很多资料都在引用，于是我也照搬过来。
在下认为信号反射系数还与信号的跳变时间（上升时间或下降时间）、寄生电容、寄生电感有关，公式可写成：
其中C为信号反射的补偿系数。
声明：上述文档出自中为电子科技工作室仅用于技术交流。