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信号完整性知识
来源:未知    日期:2020-06-15    阅读( )

信号完整性概念

  0和1是对于电子信号质量的一系列度量标准。在数字电路中,一串二进制的信号流是通过电压(或电流)的波形来表示。然而,自然界的信号实际上都是模拟的,而非数字的,所有的信号都受噪音、扭曲和损失影响。在短距离、低比特率的情况里,一个简单的导体可以忠实地传输信号。而长距离、高比特率的信号如果通过几种不同的导体,多种效应可以降低信号的可信度,这样系统或设备不能正常工作。信号完整性工程是分析和缓解上述负面效应的一项任务,在所有水平的电子封装和组装,例如集成电路的内部连接、集成电路封装、印制电路板等工艺过程中,都是一项十分重要的活动。
 
    简单来说,信号完整性就是要求:高电平要高,低电平要低,上升沿下降沿要陡。信号完整性设计较好的板子,长期使用性能较好,高低温性能较好, EMC使用效果较好。从用户使用的感觉上来看,就是这个产品皮实耐造,质量杠杠滴。

 

信号完整性常见问题

 
常见信号波形如下:
 
 
 
 

振铃

  就是高电平过后,或者低电平过后,产生的震荡波形,图上为Ringback High和Ringback Low。振铃产生的原因主要是发送信号和接收端阻抗不匹配。
 

阻抗

    线路板对于高速信号,都会有一个对应的阻抗。当阻抗匹配时,从发送端到接收端,不会产生反射波形,振铃就会较小。阻抗不匹配时,接收端就会反射波形,导致阻抗不匹配,用示波器看起来,就会出现振铃现象。
 

非单调性

 
 
    上图中,non-monotonic表示非单调。就是在上升沿过程中,信号突然下降。或者在下降沿过程中,信号突然上升。产生非单调的原因,也是由于发送端信号和接收端信号不匹配导致的反射波形,造成的非单调性。非单调性会造成高电平或者低电平判断错误,从而引发乱码等现象。
 

过冲

 
    过冲和振铃产生的原因都是类似的,就是信号阻抗不匹配问题。过冲对于线路板的副作用主要是:容易导致辐射发射过高,线路板的EMC性能较差。
 

信号完整性的影响

 
 
    信号完整性越好,信号越接近理想状态,线路板抗干扰能力越强,工作越稳定。反之,则会出现各种不稳定现象,例如:电压漂移时,工作不稳定,或者是温度漂移时,工作不稳定等现象。
 

建立时间和保持时间

 
 
 
    建立时间(setup time)是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前,数据稳定不变的时间,如果建立时间不够,数据将不能在这个时钟上升沿被打入触发器;
 
    保持时间(hold time)是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后,数据稳定不变的时间,如果保持时间不够,数据同样不能被打入触发器。
 

传输线概念

 
  
 
     对于数据较快的信号,PCB铜线将被认为是传输线,而不是传统的导线。因为高速信号在PCB中传输时,需要考虑介电常数,周边地平面等电场的影响。常见传输线有3种,微带线就是表层铜皮走线,带状线就是两层铜皮之间走线,差分线就是距离很近的两条线。
 

集总电路和分布电路

  
集总电路简单来说,就是线路板是离散的,不考虑相互之间网络影响。分布系统则是线路板上元器件距离很近,需要考虑网络影响。
 

特征阻抗与信号反射

  
    当阻抗不匹配时,产生的最大问题就是,会有大量的信号反射。这些信号会反射到发送端,造成非单调,振铃,过冲等信号不完整的现象。

信号完整性主要测试指标1-上升时间与下降时间

 
信号完整性测试指标之一,就是上升时间和下降时间。也就是上升沿从10%到90%的电压所需要的时间,下降沿从90%下降到10%所需要的时间。
 

信号完整性主要测试指标2-过冲,下冲和稳定时间

    过冲就是第一个峰值或者谷值超过设定电压的最大值。对于上升沿,是指最高电压,对于下降沿,是指最低电压。
    下冲是指第二个峰值或者谷值超过设定电压的电压值。
    稳定时间(settling time)是指对于震荡信号稳定到指定时间最终值所需要的时间。
 
 
 

常见信号完整性问题以及原因分析

驱动能力不够

负载过重或者传输线过程,低电平不够低,高电平不够高,导致数据接收错误。
 
    出现上述现象的主要原因是:负载过重,传输线过长,驱动能力过弱等原因造成的。如果用眼图查看,则会出现昏睡的眼睛这种现象。 
 

阈值错误

 
 
  
在上面图中,由于下冲过大,导致于信号会出现多次高于VL的现象,容易导致逻辑判断错误。抽象上述现象的原因是传输线电感量过大或者是传输线阻抗不匹配。

延时错误

延时过大,导致接收端建立时间不够,或者保持时间不够
  
 

昏睡的眼图

眼睛睁不开,其实也就是高电平不够高,低电平不够低,容易导致接受错误。
 
 

眼图的测量方法和关注参数

眼图测量时,工作在长余辉模式。当大量信号余辉累计下来之后,就会出现眼图。
 
眼图测量主要关注眼高和眼幅度即可。
 
 

差分信号

 
两根信号线一起走,保持一定的间距,就形成了差分信号。差分信号的好处是:可以抵抗共模噪声。(备注:共模噪声是指两根线上面,同时受到一个干扰,两根线的电压一起抬高,但是两根线的电压差不变,因此可以保持信号稳定。)
 
 
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