反射的基本知识

反射是在产品设计过程中常见的信号完整性三大基本问题之一，先了解一下反射的相关基础知识。

我们常说反射的原因是阻抗突变，那为什么阻抗突变就会发生反射？

信号在传输过程中，电压和电流是持续的，当信号到达阻抗突变的交界处，交界处两侧区域的阻抗是不同的（Z1≠Z2，Z2≠Z3），交界处两侧的电压（V1=V2）和电流（I1=I2）是要相等的，否则，电压压差和变化的电流就会产生电场和磁场。交界处两侧的电压和电流相等，但是阻抗是不同的，为了维持系统的稳定，阻抗突变的交界处就会产生反射，信号入射的电压和电流与信号向前传输的电压和电流就发生了变化（I1≠I2，V1≠V2，I2≠I3，V2≠V3），来维持维持系统的稳定。

信号在阻抗突变交界处发生反射，两侧区域的电压和电流是什么样的关系来保证系统的稳定？

交界处电压和电流相等，得出

由相关公式Z1=Vi/li，Z1=Vf/If，Z2=Vt/It推导得出入射系数和反射系数。

入射系数：

反射系数：

搭建相关电路来验证公式：

V1输入电压为1V，计算出Vf为0.2V ，Vt为1.2V，仿真得出的结果如下：

V2输入电压为1.2V ，3ns后V3电压出现为0.96V，仿真得出的结果如下：

信号在传输线中传输，会遇到三种特殊的端接情况：开路，匹配和短路。

开路

传输线末端所接电阻很大，本例为50 Mohm，默认为开路，反射系数为1，那么末端电压为入射电压和反射电压之和。

匹配

传输线末端所接电阻和传输线阻抗相等，反射系数为0，末端电压和入射电压数值相等。

短路

传输线末端接0ohm，默认为接地，也就是传输线末端和返回路径短路，反射系数为-1，那么末端电压为入射电压和反射电压之和，即为0。

关于反射，在实际的产品设计中，常见的就是反弹图。根据反射系数和入射系数，理论推算反弹图，如下图：

推算出的数据和仿真数据有偏差，是因为-2/3 反射系数取值的问题。

搭建简单的仿真电路图，得出相关的反弹波形，如下图：

仿真对比正负反射，更直观体现其之间的差别，相关电路图搭建和仿真结果波形如下：

反射就是入射波形遇到阻抗突变产生的，正反射反射的是原有波形，只是幅度上的差别，负反射就是反射相反的跳变波形，再加上幅度上的差别。

在实际产品设计中，源端的驱动内阻小于传输线阻抗50Ω，也就是说源端常见的就是负反射，终端是开路就是正反射，正负反射就是引起常见振铃现象的原因。

总的来说，正负反射造成了振铃现象，最终电压振荡会稳定在入射电压1V。远端的电压远大于输入电压，是因为全反射引起的，关于这里的理解，不是电压守恒，是能量守恒。振铃最终会因为链路损耗稳定在某个数值。

为了便于理解，上面的电路用的是方波，反射得出的波形也很容易看出。实际应用中，入射波很多种情况，如下图，就是输入方波的上升边不同，源端输入波形和远端输出波形的差别：

端接电阻的不同，终端的波形也是不同的，如下图：

反射的基本原理：输入什么样的波形，反射回什么样的波形，只是跳变方向和幅度的不同。下图为正弦波输入，反射回的也是正弦波。

反射最终呈现的波形是波形是原有波形和反射回波形的叠加。下图就有反射叠加的波形电压幅值为负值，说明信号反射不是简单的电压反射和叠加。理解清楚理论的本质，才能灵活应用。