0 引言

随着芯片生产工艺的改进，信号的上升时间越来越短，信号中包含的高频成分就越多，高频分量和通道间相互作用就可能产生严重的信号完整性问题。如果在产品设计周期中能尽早确定和消除信号完整性问题，产品的研制效率就可大大提升。

信号沿互连线传播时受到的瞬时阻抗发生变化时，一部分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播下去，这一原理正是单一线网中多数信号完整性问题产生的主要原因。只要信号遇到瞬态阻抗突变，就会发生发射使信号质量下降，一旦超出噪声容限就会造成误触发。

保持互连传输线阻抗恒定、进行端接匹配、优化拓扑结构等措施均是为了得到更优的信号质量。文中对信号反射问题进行了理论分析，提出信号反射噪声的改善方法，并结合工程案例进行了信号完整性仿真验证。

1 信号反射的形成

1.1 信号反射形成机理

信号沿传输线传输时，其路径上每一处的瞬态阻抗发生改变时，一部分信号将被反射，另一部分信号将继续向前传输。反射的信号量由瞬态阻抗的变化量决定。瞬态阻抗发生改变的地方称为阻抗突变点，即为图1中区域1和区域2的交界面。其中，Z1表示信号最初所在区域的瞬态阻抗，Z2表示信号进入区域的瞬态阻抗[1]。

图1 阻抗突变产生的反射情况

在阻抗突变处，电压和电流连续，即满足：

在突变处的阻抗关系分别为：

反射信号分量的大小由反射系数决定。联合式(1)～式(5)，可得反射系数 ρ：

无论是发送端还是接收端，最终得到的波形都是入射波形和反射波形叠加的结果。

1.2 传输线不连续结构及阻抗突变测试TDR

阻抗突变也就是瞬态阻抗不连续。高速电路的不连续结构很常见，主要是互连线中的封装引线、输入门电容、信号层间的过孔、拐角、桩线、分支、测试焊盘、返回路径上的间隙、过孔区域中的颈状、线交叉、连接件等。

TDR(Time Domain Reflectometry)测试，是测量高速信号在传输线上的时域反射状况，来判断传输线阻抗特性的技术。TDR包括一个阶跃脉冲发生器和一个高速采样器，其示意如图 2所示[2]。

图2 TDR组成示意图

因为入射的阶跃脉冲的幅度是已知的，所以只要测量反射阶跃脉冲的幅度，就可以找出反射系数ρ，若仪器的输出阻抗Z0是已知的，就可以计算反射点的阻抗值Z，阻抗计算公式为：

计算原理如图3所示，测试出的TDR阻抗曲线如图4所示。

图3 TDR阻抗计算原理图

图4 TDR阻抗曲线图

1.3 信号反射的几种典型波形

信号反射典型的波形有：信号的振铃现象，如图5所示；信号边沿存在台阶的波形，如图6所示；信号边沿存在回沟的波形，如图7所示。

图5 信号存在振铃的波形图

图6 信号边沿存在台阶的波形图

图7 信号边沿存在回沟的波形图

2 消除反射的措施

消除反射的措施通常有：使导体的长度短于上升时间的传输长度、更改传输内部的不连续结构、端接匹配、优化布线的拓扑结构等。

2.1 使导体的长度短于上升时间的传输长度

反射的影响与传输线的长度、信号上升下降沿有很大关系。一般要求TD(TD为信号源端到终端的传输延迟)应小于信号脉冲边沿上升时间的20%，这样虽然信号到达负载端时产生了反射，但此时源端的信号正处于上升阶段，这样反射会在信号缓慢的上升过程中被吸收掉，从而不会影响信号电平的幅值，此时不需要进行端接匹配。

其对应的经验法则为：为了避免出现反射问题，不需要端接的传输线的长度满足[1]：

其中，Lmax为传输线的最大长度(单位inch)，基底材料FR4。RT为信号脉冲边沿上升时间(单位ns)。

图8是发送端和接收端器件均一致，仅传输线长度不同时，接收端波形仿真对比，可见传输线长度大于RT时，反射会有明显影响。

图8 传输线的长度对反射的影响情况对比

实际工程中，不同性质的信号容忍的反射噪声不同，并且往往走线较长，此时应根据具体情况决定是否需要进行端接。

2.2 更改传输内部的不连续结构

通过使用可控阻抗互连线、布线采用多分支最小影响的拓扑结构、优化过孔形状、优化连接器形状、最小化几何结构的不连续性等方法使阻抗连续。