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[導(dǎo)讀]廣義上講,信號完整性(Signal Integrity,SI)包括由于互連、電源、器件等引起的所有信號質(zhì)量及延時等問題。數(shù)字信號在傳輸?shù)倪^程中,由于阻抗匹配、串?dāng)_等原因?qū)е滦盘栕儾睢?

廣義上講,信號完整性(Signal Integrity,SI)包括由于互連、電源、器件等引起的所有信號質(zhì)量及延時等問題。數(shù)字信號在傳輸?shù)倪^程中,由于阻抗匹配、串?dāng)_等原因?qū)е滦盘栕儾睢?

數(shù)字信號完整性就是研究信號在傳輸過程中的保真度問題。

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


影響信號完整性的七大原因分析

2、 信號線電阻的電壓降的影響

a) IC輸出管腳經(jīng)過印制導(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低電平的抬高,其值為ΔVOL=IOL×R 。 見圖中的上面一條虛線。


影響信號完整性的七大原因分析

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點的低電平比A點的低電平高

注意:當(dāng)IC輸出腳為低電平時,如果此器件不是驅(qū)動器, 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:


影響信號完整性的七大原因分析

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)過印制導(dǎo)線或電纜到另一個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:


影響信號完整性的七大原因分析

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

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:


影響信號完整性的七大原因分析

B點的高電平比A點的高電平要低

注意: IC輸出腳為高電平時, 如果此器件不是驅(qū)動器,而是一般器件, 則由于輸出高電平電流太大,遠(yuǎn)大于器件手冊給出的值時,輸出管也會退出飽和區(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:


影響信號完整性的七大原因分析

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, 輸出高電平將產(chǎn)生一個下降值, 如上圖中高電平上的虛線所示:


影響信號完整性的七大原因分析

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 ΔVCC (ΔVCC =ΔI×ΔR)

以上原因,使TTL信號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。 對這些值若不嚴(yán)加控制, 對系統(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,還會影響高低電平及門檻電平的變化也會影響系統(tǒng)工作。

除上面所說的直流成分之外,更為重要的是系統(tǒng)是以極高頻率在工作,也就是說, 系統(tǒng)內(nèi)的器件、導(dǎo)線有各種頻率的, 各種轉(zhuǎn)換速率的信號在動作、傳遞。 首先是相互之間的信號電磁藕合 (串?dāng)_) 和信號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信號波形變得更壞。

4、轉(zhuǎn)換噪聲

由于系統(tǒng)工作時, 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串?dāng)_到高電平上,而地電平上的尖峰電壓會串?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。


影響信號完整性的七大原因分析

5、串?dāng)_噪聲

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


影響信號完整性的七大原因分析

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、重疊線長、插頭座信號針地針比、電纜信號線地線比。

6、 反射噪聲

如果IC之間的互連線比較長 (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,會引起反射,如果始端也不匹配, 則會來回 反射而造成振鈴。 如下圖所示:


影響信號完整性的七大原因分析

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

7、邊沿畸變

如果信號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)線又較長或者負(fù)載電容較大時, tr ≥tw上升時間等于或大于脈沖寬度,信號畸變到?jīng)]有高低電平平頂或者遠(yuǎn)離平頂。如下圖所示(實線):

舉例“仿真或示波器實測”均可驗證。

決定因素:線寬、線長、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,造出來的系統(tǒng)不可能穩(wěn)定、可靠的工作。


影響信號完整性的七大原因分析
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