影響信號(hào)完整性的七大原因分析

廣義上講，信號(hào)完整性(Signal Integrity，SI)包括由于互連、電源、器件等引起的所有信號(hào)質(zhì)量及延時(shí)等問(wèn)題。數(shù)字信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于阻抗匹配、串?dāng)_等原因?qū)е滦盘?hào)變差。

數(shù)字信號(hào)完整性就是研究信號(hào)在傳輸過(guò)程中的保真度問(wèn)題。

1、線電阻的電壓降的影響——地電平(0電平)直流引起的低電平提高

圖中虛線為提高的情況。提高幅度與IC的功耗大小、IC密度、饋電方式、地線電阻(R) 、饋電的地線總電流有關(guān)。 ΔV地= ΔI× ΔR

2、 信號(hào)線電阻的電壓降的影響

a) IC輸出管腳經(jīng)過(guò)印制導(dǎo)線或電纜到另一IC的輸入腳，輸出低電平電流在印制導(dǎo)線或電纜電阻上引起一個(gè)低電平的抬高，其值為ΔVOL=IOL×R 。 見圖中的上面一條虛線。

顯而易見，低電平的抬高與印制導(dǎo)線電阻值及輸出低電平電流有關(guān)，如下圖所示： B點(diǎn)的低電平比A點(diǎn)的低電平高

注意:當(dāng)IC輸出腳為低電平時(shí)，如果此器件不是驅(qū)動(dòng)器， 而是一般器件，則由于輸出低電平電流太大， 遠(yuǎn)大于器件手冊(cè)給出的值，輸出三極管將退出飽和區(qū)，進(jìn)入工作區(qū)，使輸出低電平抬高很多。如下圖中上面一條虛線所示:

決定因素：端接方式

端接電阻大小

輸出管飽和深度

輸出管β值

b) IC輸出管腳經(jīng)過(guò)印制導(dǎo)線或電纜到另一個(gè)IC的輸入腳，輸出高電平電流在印制導(dǎo)線或電纜電阻上引起一個(gè)高電平的降低，其值為ΔVOH=IOH× R，見下圖中高電平上的下面虛線：

IOH由下列因素決定：端接方式、端接電平、端接電阻大小

R由下列因素決定：線寬、線厚、線長(zhǎng)

顯而易見，高電平的降低與印制導(dǎo)線或電纜電阻值及輸出高電平電流有關(guān)，如下圖所示：

B點(diǎn)的高電平比A點(diǎn)的高電平要低

注意: IC輸出腳為高電平時(shí)， 如果此器件不是驅(qū)動(dòng)器，而是一般器件， 則由于輸出高電平電流太大，遠(yuǎn)大于器件手冊(cè)給出的值時(shí)，輸出管也會(huì)退出飽和區(qū)，進(jìn)入工作區(qū)，使輸出高電平降低很多。如下圖中下面一條虛線所示：

3、電源線電阻的電壓降的影響

IC的電源電壓(如+3.3V)，如果系統(tǒng)中存在差值，當(dāng)小于+3.3V時(shí)， 輸出高電平將產(chǎn)生一個(gè)下降值， 如上圖中高電平上的虛線所示:

由于系統(tǒng)電源有集中電源和分散的電源模塊之分，此差值不同，由于IC功耗的大小、IC密度、饋電方式、電源線的饋電電阻值以及電源電流值，引起一個(gè) ΔVCC (ΔVCC =ΔI×ΔR)

以上原因，使TTL信號(hào)波形變得離理想波形很遠(yuǎn)了。 低電平大為提高了，高電平也大為降低了。 對(duì)這些值若不嚴(yán)加控制， 對(duì)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠工作是不利的。此外，結(jié)溫差，即不同功耗的器件的P-N結(jié)的溫度不同，還會(huì)影響高低電平及門檻電平的變化也會(huì)影響系統(tǒng)工作。

除上面所說(shuō)的直流成分之外，更為重要的是系統(tǒng)是以極高頻率在工作，也就是說(shuō)， 系統(tǒng)內(nèi)的器件、導(dǎo)線有各種頻率的， 各種轉(zhuǎn)換速率的信號(hào)在動(dòng)作、傳遞。 首先是相互之間的信號(hào)電磁藕合 (串?dāng)_) 和信號(hào)在不同特性阻抗傳輸路徑上的反射， 以及電源， 地電平由于IC高頻轉(zhuǎn)換引起電流尖峰電平，使TTL信號(hào)波形變得更壞。

4、轉(zhuǎn)換噪聲

由于系統(tǒng)工作時(shí)， 器件以高頻轉(zhuǎn)換， 造成供電系統(tǒng)上有高頻率變化的電流尖峰，而供電的電源線路和地線路都可看成是很小的電阻、電感、電容元件。電流尖峰值太大， 在它們上面會(huì)產(chǎn)生較大的交流尖峰電壓，其電源上的尖峰電壓基本上會(huì)串?dāng)_到高電平上，而地電平上的尖峰電壓會(huì)串?dāng)_到低電平上，如下圖所示：IC內(nèi)部同樣存在這種尖峰電壓。

5、串?dāng)_噪聲

由于系統(tǒng)組裝越來(lái)越密， 印制導(dǎo)線之間的距離越來(lái)越近，鄰近導(dǎo)線上有高速轉(zhuǎn)換的電平信號(hào)。 如正跳變信號(hào)跳變的時(shí)間tr和負(fù)跳變的時(shí)間tf都很小，使得導(dǎo)線上已有信號(hào)上疊加一個(gè)較大的電磁藕合信號(hào)(串?dāng)_信號(hào))。如下圖中較大的尖峰信號(hào)。這些信號(hào)還包括插頭座上的信號(hào)針之間的串?dāng)_信號(hào)以及電纜中信號(hào)之間的串?dāng)_。

決定因素：tr與tf值、線寬、線間距、(基材)介質(zhì)的厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、平行線長(zhǎng)、重疊線長(zhǎng)、插頭座信號(hào)針地針比、電纜信號(hào)線地線比。

6、 反射噪聲

如果IC之間的互連線比較長(zhǎng) (復(fù)雜系統(tǒng)往往是這樣) ，線的特性阻抗又不均勻，或者終端沒有匹配，會(huì)引起反射，如果始端也不匹配， 則會(huì)來(lái)回 反射而造成振鈴。 如下圖所示：

決定因素：特性阻抗、匹配方式、失配大小

終端反射系數(shù)、始端反射系數(shù)、線長(zhǎng)

7、邊沿畸變

如果信號(hào)頻率升高到一定程度，也就是器件工作頻率達(dá)到一定的高度極限，而且印制導(dǎo)線又較長(zhǎng)或者負(fù)載電容較大時(shí)， tr ≥tw上升時(shí)間等于或大于脈沖寬度，信號(hào)畸變到?jīng)]有高低電平平頂或者遠(yuǎn)離平頂。如下圖所示(實(shí)線)：

舉例“仿真或示波器實(shí)測(cè)”均可驗(yàn)證。

決定因素：線寬、線長(zhǎng)、基材介質(zhì)厚度、介質(zhì)介電常數(shù)、負(fù)載數(shù)、工作頻率(脈寬)、tr數(shù)字信號(hào)的變化。討論了上面七條，可見其畸變不容忽視。如果任其自流，不嚴(yán)加限制，造出來(lái)的系統(tǒng)不可能穩(wěn)定、可靠的工作。