1.传输线的特征阻抗与时延

信号完整性分析是基于传输线理论的，研究信号完整性必须从认识传输线开始

现实中的传输线不只有导线的电阻，还有分布电容和分布电感，而传输线的特征阻抗和总时延：

                                                   

Z0为传输线的特征阻抗，只与单位长度导线的分布电感和分布电容的比值有关，与传输线总长度无关，计算上图的传输线特征阻抗

而走过这段导线的信号时延

对于10mil宽1oz铜厚的传输线，其信号传输时延约为0.141ns/1000mil，对于50Ω同轴线缆的时延大约为2.5ns/m

如上图所示，导线左端和右端信号接收时间差越1.6ns

2.什么是阻抗匹配

   阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式，阻抗匹配可分为低频和高频两种情况考虑。

　　低频情况下：阻抗匹配主要是保证负载上可获得最大输出功率。在直流情况下，负载阻抗等于信号源内阻(对于前后级情况，信号源内阻即为前级输出阻抗)时，实现阻抗匹配。在交流情况下，负载阻抗与信号源内阻符合共轭匹配时，负载获得最大输出功率。如果我们需要输出电流大，则选择小的负载电阻R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率最大，则选择和信号源内阻匹配的负载R。在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的阻抗匹配，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑，因为即使反射回来，跟原信号也是一样的。

　　高频情况下：当信号的频率很高时，为避免信号反射，传输线与负载必须进行阻抗匹配：负载阻抗必须和传输线阻抗相等，而传输线的阻抗可看作传输线的特征阻抗。如果不匹配，则会形成反射，能量传递不下去，降低效率,会在传输线上形成驻波;高速信号线与负载阻抗不匹配，会产生震荡，辐射干扰等。

3.阻抗不匹配的危害：信号反射

1.什么是信号反射

信号反射是指电压信号在阻抗突变处发生信号反射的现象

其中反射系数为 ：反射电压/入射电压   ,ρ的取值范围为-1~1

如上图，信号源和传输线处阻抗突变，负载无穷大等同开路计算得左右两处反射系数分别为-0.67和1

假设信号源输出电压为1.2v，输入电压首先由传输线阻抗和信号源内阻分压1v，1ns后信号到达远端，远端阻抗无穷大，反射系数为1，则产生的反射电压为1v，那么在远端测得的电压为1v+1v=2v

反射回来的1v在近端再次反射，反射电压为-0.67v，该反射电压再反射回远端，那么在远端测得的电压为2v+1*(-0.67)v-0.67v=0.67V（减两次0.67v，因为一次是近端反射的负压与远端原电压的叠加，另一次是近端反射的电压在远端发生反射系数为1的反射，该反射电压一产生就再次与远端电压叠加）,以此往返从而形成振铃现象，如下图所示。

2.信号反射实验及现象

低频情况下若信号源与负载的阻抗不匹配会发生信号反射，如但由于低频信号的波长很长，传输线相当于短线，多次反射的振铃在波形图上看起来像是一个尖刺，如下左图。若把上升沿或下降沿的时间尺度拉小，就能看出振铃现象。

高频情况下阻抗匹配就要考虑信号源，传输线和负载的阻抗匹配了。当信号波长与传输线长度在一个数量级时就可能出现反射的信号未与原有脉冲信号叠加，而是与低电平叠加产生一个新脉冲，从而使通信错误，这种情况只出现在负载端并不是信号采集端的情况。所以高速信号要尤其注意阻抗匹配。

做如下图所示实验，因为信号源和传输线之间阻抗匹配，所以只有可能在传输线和负载端发生反射，且反射回近端的电压会被吸收，因此只有一次反射。

 采样点到负载端的传输线为10m，信号波长为λ=c/f，其中c为光速，f在实验中为3mhz，可得λ=100m，该波的占空比为15%，即脉冲宽度为50ns，这段10m同轴线缆的时延约为25ns

下图左中右分别为负载电阻为50Ω，负载开路，负载短路的情况。

1. 负载开路时ρ=1，信号电压到采样点后经过25ns时延到负载端，信号电压全幅值反射，反射电压从负载端经过25ns后到达示波器采样点，二脉冲宽度也大约为50ns，所以等到反射电压到达采样点时，采样点的一个脉冲刚好结束，因此示波器中出现两个相邻脉冲

2.负载短路时ρ=-1，发生与负载开路时过程相同幅值相反的反射。

4.如何阻抗匹配来避免信号反射

1.串联端接

靠近输出端的位置串联一个电阻，要达到匹配效果，串联电阻和驱动端输出阻抗的总和应等于传输线的特征阻抗Z0

 在通常的数字信号系统中，器件的输出阻抗通常是十几欧姆到二十几欧姆，传输线的阻抗通常会控制在50欧姆，所以始端匹配电阻常见为33欧姆电阻。例如spi信号线上串联的电阻
     当然要达到好的匹配效果，驱动端输出到串联电阻这一段的传输路径最好较短，短到可以忽略这一段传输线的影响。
   串联电阻优缺点如下：
   （1）优点
           1、只需要一个电阻；
           2、没有多余的直流功耗；
           3、消除驱动端的二次反射；
           4、不受接收端负载变化的影响；
   （2）缺点
           1、接收端的一次发射依然存在；
           2、信号边沿会有一些变化；
           3、电阻要靠近驱动端放置，不适合双向 传输信号；
           4、在线上传输的电压是驱动电压的一半，不适合菊花链的多型负载结构。

2.并联端接

并联端接又叫终端匹配，要达到阻抗匹配的要求，端接的电阻应该和传输线的特征阻抗Z0相等。

 在通常的数字信号传输系统里，接收端的阻抗范围为几兆到十几兆，终端匹配电阻如果和传输线的特征阻抗相等，其和接收端阻抗并联后的阻抗大致还是在传输线的特征阻抗左右，那么终端的反射系数为0。不会产生反射，消除的是终端的一次反射。例如电压跟随器的同相输入端。
     并联端接优缺点
     （1）优点
     1、适用于多个负载
     2、只需要一个电阻并且阻值容易选取
     （2）缺点
     1、增加了直流功耗
     2、并联端接可以上拉到电源或者下拉到地，使得低电平升高或者高电平降低，减小噪声容限。

3.AC并联端接

并联端接为消除直流功耗，可以采用如下所示的AC并联端接（AC终端匹配）。要达到匹配要求，端接的电阻应该和传输线的特征阻抗Z0相等。

优缺点描述如下：
（1）优点
1、适用于多个负载
2、无直流功耗增加
（2）缺点
1、需要两个器件
2、增加了终端的容性负载，增加了RC电路造成的延时
3、对周期性的信号有效（如时钟），不适合于非周期信号（如数据）

5.什么时候需要考虑阻抗匹配

  通俗来说当信号的波长与传输线的长度相差不大时，就需要考虑阻抗匹配。

  那什么时候叫做相差不大呢？首先我们要知道信号传输的速度，已知电磁波的速度等于光速3×10^8m/s，在铜导线中的速度大约为1.4x10^8m/s，相当于信号的传输速度为14cm/ns，当信号波长大于十分之一的信号传播速度时就要考虑阻抗匹配了，而对于方波由于他的高次谐波分量很多，肯定不能用其基波频率来计算，通常选用其上升沿时间计算，上升沿时间大于信号传输时间的十分之一时就要考虑阻抗匹配。

 例如上升沿为5ns的方波信号，那么（14cm/ns）x 5ns=70cm，取十分之一，既当传输线超过7cm时该信号就该考虑阻抗匹配了