信號(hào)完整性研究：理解臨界長(zhǎng)度

很多人對(duì)于上線條的臨界長(zhǎng)度這個(gè)概念非常模糊，甚至很多人根本不知道這個(gè)概念，如果你設(shè)計(jì)高速電路板卻不知道這個(gè)概念，那可以肯定，最終做出的電路板很可能無(wú)法穩(wěn)定工作，而你卻一頭霧水，無(wú)從下手調(diào)試。

臨界長(zhǎng)度在業(yè)界說(shuō)法很混亂，有人說(shuō)3英寸，有人說(shuō)1英寸，我還聽(tīng)說(shuō)過(guò)很多其他的說(shuō)法，多數(shù)是因?yàn)閷?duì)這個(gè)概念理解有誤造成的。很多人說(shuō)，奧，走線太長(zhǎng)會(huì)引起信號(hào)反射，走線很短的話不會(huì)產(chǎn)生反射。這種說(shuō)法是非常錯(cuò)誤的，把好幾個(gè)概念像攪漿糊一樣混在一起。那么臨界長(zhǎng)度到底是什么，是多少，為什么要關(guān)注臨界長(zhǎng)度？

理解臨界長(zhǎng)度的最好方法就是從時(shí)間角度來(lái)分析。信號(hào)在走線上傳輸需要一定的時(shí)間，普通FR4板材上傳輸時(shí)間約為每納秒6英寸，當(dāng)然表層走線和內(nèi)層走線速度稍有差別。當(dāng)走線上存在阻抗突變就會(huì)發(fā)生信號(hào)反射，這和走線長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。但是，如果走線很短，在源端信號(hào)還沒(méi)上升到高電平時(shí)，反射信號(hào)就已經(jīng)回到源端，那么發(fā)射信號(hào)就被淹沒(méi)在上升沿中，信號(hào)波形沒(méi)有太大的改變。走線如果很長(zhǎng)，發(fā)射端信號(hào)已經(jīng)到達(dá)高電平，反射信號(hào)才到達(dá)源端，那么反射信號(hào)就會(huì)疊加在高電平位置，從而造成干擾。那么走線長(zhǎng)度就有一個(gè)臨界值，大于這個(gè)值，返回信號(hào)疊加在高電平處，小于這個(gè)值反射信號(hào)被上升沿淹沒(méi)。這個(gè)臨界值就是臨界長(zhǎng)度，注意，這種定義非常不準(zhǔn)確，因?yàn)橹豢紤]了一次反射情況，這里只是為了理解概念需要，暫時(shí)這樣說(shuō)。

那么準(zhǔn)確的定義是什么？實(shí)際中反射都是發(fā)生多次的，雖然第一次信號(hào)反射回到源端的時(shí)間小于信號(hào)上升沿時(shí)間，但是后面的多次反射還會(huì)疊加在高電平位置，對(duì)信號(hào)波形造成干擾。那么，臨界長(zhǎng)度的合理定義應(yīng)該是：能把反射信號(hào)的干擾控制在可容忍的范圍內(nèi)的走線長(zhǎng)度。這一長(zhǎng)度上的信號(hào)往返時(shí)間要比信號(hào)上升時(shí)間小很多。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為，當(dāng)信號(hào)在走線上的時(shí)延高于信號(hào)上升沿的20%時(shí)，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生明顯的振鈴。對(duì)于上升時(shí)間為1ns的方波信號(hào)來(lái)說(shuō)，走線長(zhǎng)度為0.2*6=1.2inch以上時(shí)，信號(hào)就會(huì)有嚴(yán)重的振鈴。所以臨界長(zhǎng)度就是1.2inch，大約3cm。

你可能注意到了，又是信號(hào)上升時(shí)間！再一次強(qiáng)調(diào)，信號(hào)上升時(shí)間在高速設(shè)計(jì)中占有重要地位。