信号过冲产生原因及解决方案
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，通常表现在传输线上，而阻抗不匹配直接导致信号的反射，反射信号与原始信号叠加，就会产生过冲、回沟、台阶等信号完整性问题。本文将主要对因传输线阻抗不匹配导致信号产生过冲（上冲overshoot、下冲undershoot）进行深度分析，并提出部分可行的解决方案。
一、过冲的定义
过冲是振铃的一部分，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。
一般描述过冲的影响，主要考虑：过冲的最大幅值、过冲的持续时间、过冲的发生频率这三个要素。
二、过冲和振铃的危害
1、当过冲幅值较大或持续时间较长时，可能回导致电路元器件的失效；
2、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
三、过冲产生原因
本质原因是：传输线阻抗不匹配造成信号的反射，多个反射信号和原信号叠加导致过冲和振铃。
1、反射及反射系数
如下图所示，设区域1阻抗为z1，区域2阻抗为z2，信号经过两个阻抗不同的区域，在交界处a处，电压和电流不能产生突变（若电压不连续，将产生无穷大的电场；若电流不连续，将产生无穷大的磁场）。
若z1 ≠ z2，则关系式 v1 =i1 ×z1 ; v2 =i2 ×z2 无法同时满足电压和电流连续的条件v1 = v2,i1 = i2 ，故只能从电磁波反射的角度进行分析，如下所示。
信号由区域1往区域2传输的过程中，入射(incident)信号、反射信号(reflect)、传输信号(transfer)分别如下图表示：
分界面两侧的电压相等，有 vinc + vref = vtra ；
分界面两侧的电流相等，有iinc - iref = itra ；
再有 iinc × z1 = vinc ；
iref × z1 = vref ；
itra × z1 = vtra ；
由以上5个等式可以推导得出：
2、建立传输模型
一般理想情况下，末端接收端的输入阻抗无穷大，源端输出端的输出阻抗趋近于0。设源端串接的匹配电阻阻抗为rs，传输线(即pcb走线)阻抗为rz。
信号在线上由a往b传送时，在b点信号的反射系数为1，即全反射；
由b往a传送时，在a点信号的反射系数为 (rs-rz)/(rs+rz)。
3、展开时间轴，计算实时反射波形
下面举个栗子
设传输线阻抗rz=30ω，源端串接的匹配电阻rs=10ω，则传输线左端a点反射系数为 (10 - 30)/(10 + 30) = -0.5,右端b点反射系数为 (+∞ - 30)/(+∞ + 30) = 1。
设初始状态都为低电平0.0v，t0时刻源端跳变为3.3v，发送逻辑高电平信号，末端b点的电压变化如下。
t1时刻，由于电阻分压，传输线左端a点电压为3.3*30/(10+40)=2.475v，抽象理解为t1时刻有一个+2.475v的信号在传输线上向b点传播；
t2时刻，该信号在b点产生全反射(反射系数为1)，t2时刻b点电压为原始信号、入射信号、反射信号的叠加，即0+2.475+2.475 = 4.95v；
t3时刻，末端的一次反射信号到达a点，由于阻抗不匹配，反射电压为2.475 * (-0.5）=-1.2375v，此时a点电压也为原始信号、入射信号、反射信号的叠加；
t4时刻，源端的一次反射信号到达b点，同理计算末端b点电压为4.95-1.2375-1.2375 = 2.475v；
t5时刻，末端的二次反射信号到达a点........
t6时刻，源端的二次反射信号达到b点，如上图所示计算b点电压为 3.7125v
.......................................................................
在理想情况（无损传输）下，信号会在传输线a、b两端无休止的反射振荡，反射电压的幅值越来越趋近于0，在实际中信号在传输过程中有衰减，最终趋于稳态。
下面我计算了约50多个数据，反应末端b点的电压变化，如下图所示：（左图为理论数据计算作图，右图为示波器测得实际波形）
由以上理论推导和数据可知，当源端信号发生跳变后，由于阻抗不匹配，末端会产生多个超过或低于期望电平的脉冲，这就是振铃现象，第一个脉冲就是过冲。
在下写了一小段c语言代码用于生成数据，copy到excel绘制散点图，代码如下：
#include #define datanum 100 //100个数据模拟波形#define startnum 30 //30个起始数据，方便对比int main(){ //系统初始条件，参数可改 float sourceres=10.0;//源端电阻 float lineres=30.0;//传输线电阻 float startvoltage=0.0;//初始电平 float tailvoltage=3.3;//跳变后电平 float reflecttail = 1.0;//末端反射系数， 假设接收端输入阻抗无穷大，为全反射 float reflectsource;//源端反射系数 float starttransfervoltage; float voltagereflectsource; float outputdata[datanum]={0}; int i,j; reflectsource = (sourceres-lineres)/(sourceres+lineres);//计算源端反射系数 voltagereflectsource = (tailvoltage-startvoltage)*lineres/(sourceres+lineres);//计算传输线起始端电压 for(i=0;i 4、改变阻抗匹配条件对比分析波形
通过改变源端匹配电阻 rs 的阻值，得到如下一部分模拟数据
可以发现，当源端电阻小于传输线电阻时，信号变化比较快（上升时间较短），但是会伴随着过冲的产生，影响信号的完整性；
当源端电阻大于传输线电阻时，信号上升相对比较平缓，能有效解决过冲问题，但是增大了上升时间，限制了信号的传输速度；
只有当源端电阻和传输线电阻相等时（即阻抗匹配状态），信号质量最接近理想状态。
注：当源端电平发生由1到0的负跳变时，分析方法同上，这里不再重复阐述，用于生成模拟数据的代码仍然可用
四、解决方案
1、减小驱动端的输出电流
2、端接电阻进行阻抗匹配，本质上是消除信号路径端点的阻抗突变
大多数情况下在源端串联一个匹配电阻，使传输线阻抗与源端阻抗匹配，在pcb走线时，该电阻尽可能靠近源端器件的输出管脚；
也有部分情况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，但这种方式增大了电路的功耗，一般不建议采用；
3、增加tvs二极管限制峰值
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一、过冲的定义
过冲是振铃的一部分，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。
一般描述过冲的影响，主要考虑：过冲的最大幅值、过冲的持续时间、过冲的发生频率这三个要素。
二、过冲和振铃的危害
1、当过冲幅值较大或持续时间较长时，可能回导致电路元器件的失效；
2、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
三、过冲产生原因
本质原因是：传输线阻抗不匹配造成信号的反射，多个反射信号和原信号叠加导致过冲和振铃。
1、反射及反射系数
如下图所示，设区域1阻抗为z1，区域2阻抗为z2，信号经过两个阻抗不同的区域，在交界处a处，电压和电流不能产生突变（若电压不连续，将产生无穷大的电场；若电流不连续，将产生无穷大的磁场）。
若z1 ≠ z2，则关系式 v1 =i1 ×z1 ; v2 =i2 ×z2 无法同时满足电压和电流连续的条件v1 = v2,i1 = i2 ，故只能从电磁波反射的角度进行分析，如下所示。
信号由区域1往区域2传输的过程中，入射(incident)信号、反射信号(reflect)、传输信号(transfer)分别如下图表示：
分界面两侧的电压相等，有 vinc + vref = vtra ；
分界面两侧的电流相等，有iinc - iref = itra ；
再有 iinc × z1 = vinc ；
iref × z1 = vref ；
itra × z1 = vtra ；
由以上5个等式可以推导得出：
2、建立传输模型
一般理想情况下，末端接收端的输入阻抗无穷大，源端输出端的输出阻抗趋近于0。设源端串接的匹配电阻阻抗为rs，传输线(即pcb走线)阻抗为rz。
信号在线上由a往b传送时，在b点信号的反射系数为1，即全反射；
由b往a传送时，在a点信号的反射系数为 (rs-rz)/(rs+rz)。
3、展开时间轴，计算实时反射波形
下面举个栗子
设传输线阻抗rz=30ω，源端串接的匹配电阻rs=10ω，则传输线左端a点反射系数为 (10 - 30)/(10 + 30) = -0.5,右端b点反射系数为 (+∞ - 30)/(+∞ + 30) = 1。
设初始状态都为低电平0.0v，t0时刻源端跳变为3.3v，发送逻辑高电平信号，末端b点的电压变化如下。
t1时刻，由于电阻分压，传输线左端a点电压为3.3*30/(10+40)=2.475v，抽象理解为t1时刻有一个+2.475v的信号在传输线上向b点传播；
t2时刻，该信号在b点产生全反射(反射系数为1)，t2时刻b点电压为原始信号、入射信号、反射信号的叠加，即0+2.475+2.475 = 4.95v；
t3时刻，末端的一次反射信号到达a点，由于阻抗不匹配，反射电压为2.475 * (-0.5）=-1.2375v，此时a点电压也为原始信号、入射信号、反射信号的叠加；
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