过冲（overshoot）、下冲（Undershoot）的量化标准与评估实例

1. Overshoot 和 Undershoot 定义

如何定义过冲与下冲？
可以形象地解释，过，就是超过，越过了预定电平门限。下，就是不及，没有到达预定的电平门限。古语说，过犹不及，事缓则圆，信号的传输也是如此，电压要在输入端门限所允许的范围内，不能过冲，也不能下冲。如下图所示

例如，在1V8_HS_LVCMOS标准中，输入可允许的高电平范围是0.8VDD~ VDD+0.3，低电平范围是 -0.3V~0.2VDD

在0→1 动态翻转时，如果信号在到来时某一时刻大于VDD+0.3，这就是100%的（上）过冲，如果信号在上升到门限之后，又掉下来，在某一时刻小于0.8VDD， 这就是100%的下冲。
在1→0 动态翻转时，如果信号在到来时某一时刻小于-0.3V，这就是100%的（下）过冲，如果信号在下降到门限之后，又向上回升，在某一时刻大于0.2VDD， 这就是100%的下冲。
那么，如果信号在VDD~VDD+0.3V范围之内呢？VDD是标准阈值，VDD+0.3是所能允许的最大输入电压，不能越过这个门限。设想如果一个输入电平保持在VDD+0.2V，又该如何评价这个信号质量（过冲）能否接受？对于芯片来讲是否安全呢？需要引入过冲/下冲的另一个评估参数： 过冲/下冲持续时间

在LVTTL / LVCMOS_3V/3.3V 标准中，对输入的要求如下图所示

2. 过冲与下冲的量化

2.1 过冲与下冲的重定义

对于过冲与下冲，由于加入了持续时间这一参数，我们需要从工程角度出发，对过冲与下冲的定义做更清晰的描述：
过冲：超过了预定门限，这个门限在CMOS电平标准里指VDD,VSS
下冲；不及到预定门限，这个门限在CMOS电平标准里指VDD,VSS
如果信号在某一时刻电平超过了CMOS Maximum Amp (即VDD+0.3V)，则该信号质量是完全不可以接受的（极端地设想，好比一个超高峰值电压脉冲/静电），如果信号电平在VDD~VDD+0.3V之间，需要去评估下过冲的持续时间（或者占空比）。

2.2 芯片手册里的过冲与下冲要求

那么，如何评估信号的过冲/下冲的持续时间对于芯片端口来讲是否可接受呢？这就需要看各个芯片厂商的要求，例如，查看Inter Stratix10的芯片手册，对于不同电平的可接受的过冲与下冲Spec，有如下描述

当I/O口电平标准为LVDS时，过冲与下冲的可接受范围：

当I/O口电平标准为CMOS 3V时，过冲与下冲的可接受范围：

当I/O口电平标准为CMOS 3V3时，过冲与下冲的可接受范围：

2.3 示波器的过冲与下冲测量方法

通过查找Keysight 官网资料，找到了相关信息
（1）Overshoot 测量方法

（2）Undershoot 测量方法


例如，测量一个波形如下图所示，undershoot的计算
Current value= (Top-localMinimum) / (Top-Base)
=(31.907mV-27.7.4mV) / (31.907mV+77.723mV) = 3.83%

从示波器对过冲与下冲的极大值/极小值测量方法可以看出，其与 JEDEC标准或芯片手册的阈值标准并不一致，因此，示波器的过冲与下冲自动测量值measurement value只能作为一种参考，工程师最好直接从波形图上读出过冲与下冲的数值，然后根据持续时间，去评估信号质量。

3. 振铃的定义

Ringing definition is shown in the below picture. Actually, The Ringing of the signal is a continuous overshoot and undershoot of signal voltage, with the voltage amplitude gradually tending to a normal value. 反复的过冲与下冲，就形成了振铃（在测量电源信号时，考量的是纹波，在测量非电源信号，考量的是过冲、下冲与振铃）。

4. 过冲与下冲的评估实例

有这样一个实例，测量板级电路上的Jtag Chain的TCK信号，评估其信号质量。

从图中可以看出，信号在上升沿有下冲，在下降沿出现了过冲与下冲，那么这个信号的过冲与下冲能否接受呢？
分析测量值，在上升沿，测量到的Top=3.318V，Max=3.480V， 根据LVCMOS_3.3V电平标准 [2V~ Vdd+0.3], 然后基于图像判断其过过冲的持续时间，这是没有问题的。在下降沿，测量到的Base=-80.52mV, Min=-280mV， 根据LVCMOS_3.3V 电平标准 [-0.3V~ 0.8V]，然后基于图像判断其过冲与下冲，也是符合标准的。

5. 参考文献：

1. JEDEC LVCMOS Standard
2. Keysight Infiniium Oscilloscope