信号完整性2- 读于博士信号完整性
这个版面主要讲一下信号非完整性的一些现象或问题
- 反射
- 临界长度的理解
- PCB走线宽度变化产生的反射
- 信号的振铃
- 接收端容性负载的反射
- 串扰
- 塌陷
- 反射
图一显示了信号反射未处理引起的波形畸变,看起来就像振铃.
很多硬件工程师都会在时钟输出信号上串接一个小电阻,至于为什么,很多人都说不清楚,.其实这个小电阻的作用就是为了解决信号反射问题,而且随着电阻的增大,振铃会消失,但你发现信号的上升沿也不再那么陡峭(假如电阻趋于∞,那么再电阻的那一端也基本上等于零了). 这个解决方法叫阻抗匹配,噢,对了,一定要注意阻抗匹配的问题,这个是信号完整性的非常重要的一个点(主要是信号的的上升沿时间,然后是这么高的信号发出去之后的处理,即阻抗匹配)
反射现象如何发生的呢
我们知道对于数字信号方波而言,含有丰富的高频谐波分量.边沿越陡峭,高频成份就越多,而PCB上的走线对于高频线而言相当于传输线.SO,信号在传输线中传播时,如果遇到特性阻抗不连续,就会发生反射.反射可能发生在传输线的末端,拐角,过孔,元件引脚,线宽变化,T型引线等处.总之,无论什么原因引起了传输线的阻抗发生了突变,就会有部分信号沿传输线反射回远端.
关于这一点可以用光输入入射不同的介质当中,比如空气和水, 这个就是初中的知识了,当然用电磁波的理论知道,电磁波在不同的介质中传播的速度是不一样的,在不同物质的交界面会发生透射和反射,信号在传输的时候遇到高阻抗就会反射,就像声波遇到墙会发生反射,除非墙的尺寸比波长还要小,声波可以绕过去,这也是低频信号一般不用考虑反射的原因
实际电路板的反射可能非常复杂,反射回来的信号还会再次反射回去,方向与发射信号相同,到达阻抗突变处又再次反射回源端,从而形成多次反射.一般资料都用反弹图来表示,多次的反弹是导致信号振铃的根本原因,相当于在信号上叠加了一个噪声,为了电路板能正确工作,你必须想办法控制这个噪声的大小,噪声预算是设计高性能电路板的一个非常重要的步骤.
临界长度的理解
很多人对于PCB上线条的临界长度这个概念非常模糊,临界长度在业界说法很混乱,有人说3inch,有人说1inch,甚至更为模糊的是,噢,走线太长会引起信号反射,走线很短不会产生反射,这个说法欠科学依据.那么临界长度到底是什么,是多少,为什么关注临界长度
写不下去,关于反射信号,或者说多次反射理解的不透彻
这里也直接给出结论性的话语: 临界长度的准确定于是什么呢? 实际中反射都是发生多处的,虽然第一次反射回到源端的信号小于信号上升沿时间,但是后面的多次反射还会叠加在高电平位置,对信号波形造成干扰.
那么,临界长度的合理定义是,能把反射信号的干扰控制在可容忍的范围内的走线长度.这一长度的信号往返时间要比信号上升时间小很多.试验中发现的经验数据为,当信号在PCB走线上的时延高于信号上升沿的20%时,信号会产生明显的振铃.对于上升时间为1ns的方波来说,PCB走线长度为0.2 * 6inch/ns *1ns = 1.2inch时,信号就会有严重的振铃,所以临界长度就是1.2inch,大约为3cm
- 信号的振铃
一句话:信号的反射会引起振铃现象,一个典型的信号振铃如图1所示
在这里就直接上结论的话吧: 前面讲过,如果信号传输过程中,感受到阻抗的变化,就会发生信号的反射,这个信号可能是驱动端发出的信号,也可能是源端反射回来的发射信号,根据发射系数的公式,当信号感受到阻抗变小,就会发生负反射,反射的负电压会使信号产生下冲,信号在驱动端和远端负载之间多次反射,其结果就是信号振铃,大多数芯片的输出阻抗都很低,如果输出阻抗小于PCB走线的特性阻抗,那么在没有源端端接的情况下,必然产生信号振铃.
信号振铃的根本原因是负反射引起的,其罪魁祸首仍然是阻抗变化,在研究信号完整性问题时,一定时时注意阻抗问题.
负载端信号振铃会严重干扰信号的接收,产生逻辑错误,必须减小或消除,因此对于长的传输线必须进行阻抗端接匹配.
- PCB走线宽度变化产生的反射
在进行PCB布线时,经常会发生这样的情况,走线通过某一个区域时,由于该区域布线空间有限,不得不使用更细的线条, 通用这一区域后,线条在恢复原来的宽度,走线宽度变化会引起阻抗变化,因此发生反射,对信号产生影响.
那么什么情况下可以忽略这一影响,又在什么情况下我们必须考虑他的影响呢
有三个因素和这一影响有关:阻抗变化的大小,信号上升时间、线宽变化的颈状部分有多长.
例如: 线宽从8mil变到6mil,拉出2cm后变回8mil.那么在2cm长6mil宽线条的两个端点处都会发生反射.一次是阻抗变大,发生正发射,接着阻抗变小,发生负反射.如果两次反射间隔时间足够短,两次反射就有可能相互抵消.从而减小影响.研究及实验表明，只要阻抗变化处的时延小于信号上升时间的20%，反射信号就不会照成问题，如果信号上升时间为1ns，那么阻抗变化出的时延小于0.2ns 即线长小于1.2inch，反射就不会产生问题，
- 接收端容性负载的反射
信号的接收端可能是集成芯片的一个引脚，也可能是其他元器件，不论接收端是什么，
实际的器件的输入端必然存在寄生电容；
接收信号的芯片引脚和相邻引脚之间有一点的寄生电容；
和引脚相连的芯片内部的布线也会存在寄生电容；
另外引脚和信号返回路径之间也会存在寄生电容；
阻抗的变化必然影响信号的反射。在充电的开始一段时间，阻抗很小，小于传输线的特性阻抗，将发生负反射，反射回源端A点的信号将产生下冲。随着电容阻抗的增加，发射逐渐过渡到正反射，A点的信号经过一个下冲会逐渐升高，最终达到开路电压。因此电容负载是源端信号产生局部电压凹陷。精确的波形和传输线的特性阻抗，电容量，信号上升时间有关。
结论性的是：总之接收端电容负载的影响有两点,
1、使源端(驱动端)信号产生局部电压凹陷
2、接收端信号上升时间延长。
设计电路中要考虑这两个问题
- 串扰
这个从字面上也很容易理解:我们在平常的测试过程中发现,有时对于某根信号线,从功能上来说并没有输出信号,但测量时,会有小幅度的规则波形,就像有信号输出,这是你测量一下与它邻近的信号线,发现二者有很多的相似之处!不错,这就是串扰,一般来说有串扰的信号,其信号线一般都靠的比较近. 针对当今高密度电路板,由于布线空间小,数字信号之间的串扰的表现形式更多的是噪声形式.
串扰大小和电路板上的很多因素有关,并不是仅仅因为两根信号线间的距离. of course,距离最容易控制.也是最常用的解决串扰的方法.但不是唯一方法:后续有实际的工程应用,我再逐一添加
- 轨道塌陷
轨道塌陷主要描述的是电源分配系统.要知道,噪声不仅存在信号网络中,电源系统中也存在. 电源和地之间电流流经路径上inevitable的存在阻抗,除非是超导体,那么,当电流变化时,线路上inevitable会产生压降,因此,真正送到芯片上的电源管脚上的电压会减小,有时候会减小的很厉害,就像电压突然产生了塌陷.不错,这就是轨道塌陷.
轨道塌陷会产生致命的问题, 误判断就是其中一个,上面在描述轨道塌陷过程中讲了回流的阻抗,这也是其中一个问题,所以我们要构建更低阻抗电源分配系统