信号振铃遇到过没？来聊聊为啥(三)

在高速数字电路中，信号完整性是一个至关重要的问题。其中一个常见的现象就是信号振铃，它不仅影响信号质量，还可能导致系统性能下降甚至故障。那么，信号振铃究竟是如何产生的？它又会对电子工程带来哪些影响？我们又该如何应对这一问题？

信号振铃的产生根源在于阻抗不匹配。 在信号传输过程中，任何传输线都不可避免地存在引线电阻、引线电感和杂散电容。当一个标准的脉冲信号经过较长的传输线时，这些因素会导致信号发生反射。正如一位工程师所描述的：“信号在传输的过程中，往往不是标准的矩形波信号，尤其在高速信号中，保证信号的完整性是十分重要的，影响信号完整性最主要的因素之一，就是阻抗不匹配。”

阻抗不匹配直接导致信号的反射。 当信号从一个阻抗区域进入另一个阻抗不同的区域时，部分信号会被反射回去。这种反射现象可以用反射系数来量化，它表示反射电压与原传输信号电压的比值。反射系数的计算公式为：ρ = (Z1 - Z2) / (Z1 + Z2)，其中Z1是变化前的阻抗，Z2是变化后的阻抗。例如，如果PCB走线的特性阻抗为50欧姆，遇到一个100欧姆的贴片电阻，反射系数为1/3，意味着信号有1/3被反射回源端。

这些反射信号与原始信号叠加，就会产生过冲（overshoot）、回沟（undershoot）等信号完整性问题。过冲是指信号电平发生跳变后，第一个峰值电压或谷值电压超过设定的标准电压，主要表现为一个尖端脉冲。振铃则是指信号在期望电平附近反复波动的现象。

信号振铃对电子工程的影响不容忽视。 首先，当过冲幅值较大或持续时间较长时，可能导致电路元器件的失效。其次，振铃产生的电压波动可能多次跨越逻辑电平的电压阈值，造成接收端的误判。正如一位工程师指出的：“振铃产生的电压波动，可能回多次跨越逻辑电平的电压阈值，造成接收端的误判。”

为了应对信号振铃问题，工程师们采取了多种策略。 最常见的方法是在源端串联一个匹配电阻，使传输线阻抗与源端阻抗匹配。另一种方法是在末端并联一个匹配电阻到电源或地，以消除信号在末端的一次反射。此外，还可以通过减小引线电感、增加TVS二极管限制峰值等手段来改善信号质量。

值得注意的是， 理想的阻抗匹配状态实际上是不存在的。 逻辑电路的输入和输出阻抗都具有非线性，且传输线的引线电感和线路的杂散电容的存在也是不可避免的。因此，即使是最好的匹配，也只能是在不同程度上对反射干扰进行了抑制，使其不致影响系统的正常工作。

在实际电路设计中，工程师们还需要考虑脉冲前沿的上升时间。当脉冲前沿上升时间很短时，上冲的峰值将大大增加。因此，在满足系统速度要求的前提下，应尽量选用较低频率的信号，避免过分要求脉冲的前沿非常陡峭。

总的来说，信号振铃是一个复杂的现象，需要从电路设计的多个方面综合考虑。通过深入理解阻抗不匹配的本质，以及它如何影响信号传输，工程师们可以更好地应对这一挑战，确保高速数字电路的稳定性和可靠性。