信號(hào)完整性問(wèn)題有哪些

1、單一網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量：在信號(hào)路徑或返回路徑上由于阻抗突變而引起的反射與失真。

2、多網(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_：理想回路和非理想回路耦合的互電容、互電感

3、電源分配系統(tǒng)(PDS)中的軌道塌陷：在電源/地網(wǎng)絡(luò)中的阻抗壓降

4、來(lái)自元件或系統(tǒng)的電磁干擾

當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)工程師可以分成兩種，一種是已經(jīng)遇到了信號(hào)完整性問(wèn)題，一種是將要遇到信號(hào)完整性問(wèn)題。

對(duì)于未來(lái)的電子設(shè)備，頻率越來(lái)越高，射頻元器件越來(lái)越小，越來(lái)越集中化、模塊化。因此電磁信號(hào)未來(lái)也會(huì)變得越來(lái)越密集，所以提前學(xué)習(xí)信號(hào)完整性和電源完整性相關(guān)的知識(shí)可能對(duì)于我們對(duì)于電路的設(shè)計(jì)更有益處吧。

對(duì)信號(hào)完整性和電源完整性分析中常常分為五類問(wèn)題：

1、單信號(hào)線網(wǎng)的三種退化(反射、電抗，損耗)

反射：一般都是由于阻抗不連續(xù)引起的，即沒(méi)有阻抗匹配。反射系數(shù)=ZL-ZO/(ZL+ZO)，其中ZO叫做特性阻抗，一般情況下中都為50Ω。為啥是50Ω，75Ω的的傳輸損耗小，33Ω的信道容量大，所以選擇了他們的中間數(shù)50Ω。下圖為點(diǎn)對(duì)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)四種常用端接，其中第一種，源端匹配為首選。

電抗：電抗分為阻抗和導(dǎo)納。阻抗Z=R+jwL,導(dǎo)納為阻抗的倒數(shù)。高頻情況下，電阻、電容和電感會(huì)產(chǎn)生寄生參數(shù)。

等效模型如下圖所示：

其中ft為諧振頻率，一般為

損耗：根據(jù)電磁場(chǎng)理論，頻率越高，電磁波在傳輸過(guò)程中損耗大，同樣，高頻信號(hào)也是，頻率越高，上升時(shí)間越短，在傳輸線上損耗越大。因此，我們?yōu)榱吮苊鈸p耗導(dǎo)致出現(xiàn)的失真現(xiàn)象(眼圖縮小)我們可以在發(fā)送端增強(qiáng)高頻信號(hào)，或者在接收端減小低頻信號(hào)。發(fā)送端使用預(yù)加重、去加重和接收端使用均衡器來(lái)避免因損耗導(dǎo)致的信號(hào)失真問(wèn)題。均衡器實(shí)際上是一個(gè)高通濾波器，下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的高通濾波器，即均衡器

2、多線網(wǎng)間串?dāng)_

串?dāng)_是兩條或多條互連線之間產(chǎn)生的干擾。從“場(chǎng)”的角度來(lái)說(shuō)，一根互連線上高速變化的信號(hào)會(huì)在其周圍空間感生出變化的磁場(chǎng)，由于變化磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，其他信號(hào)線會(huì)受到感應(yīng)電流的影響，進(jìn)而影響原信號(hào)的工作。從“路”的角度來(lái)說(shuō)，可以把互連線之間的分布參數(shù)提取出來(lái)，把互連線之間的自感、互感、耦合電容考慮到電路分析當(dāng)中，進(jìn)而分析傳到輸出端的信號(hào)質(zhì)量。

串?dāng)_主要分為近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_，這和信號(hào)的傳播機(jī)理是緊密相關(guān)的。近端串?dāng)_持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，干擾的幅度不高;而遠(yuǎn)端串?dāng)_持續(xù)時(shí)間短，干擾峰值很高。信號(hào)的上升沿越短、互連線的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，信號(hào)的串?dāng)_就會(huì)越嚴(yán)重。

串?dāng)_消除思路：1、不要和“陌生鄰居”一起走太近、走太長(zhǎng)路

2、微帶線上加敷涂層材料

3、條件嚴(yán)酷時(shí)布成帶狀線

4、采用寬返回平面比任何其他結(jié)構(gòu)的串?dāng)_都要小

3、PI電源完整性(塌陷/壓沉/噪聲)

其中軌道塌陷一般為地彈/電源彈，也稱同步開關(guān)噪聲SSN(Synchronous Switch Noise)它是什么原因產(chǎn)生的呢?導(dǎo)體導(dǎo)體之間會(huì)有自感和互感，當(dāng)然電源地平面也不例外。根據(jù)電感的電流電壓公式 [ U=L*dI/dt ] ，電源的輸出電流在發(fā)生變化時(shí)，將在電源地回路上感應(yīng)出一個(gè)電壓，造成實(shí)際供給電路的電壓發(fā)生波動(dòng)。

因此要減小電源地塌陷噪聲，從公式可知，可以減小接地線的自感或者增加互感。如何減小自感呢，可以盡量讓接地導(dǎo)線盡量短，添加去耦電容，在高頻時(shí)采用多點(diǎn)接地(多點(diǎn)接地即電感并聯(lián)，根據(jù)電感并聯(lián)公式，可知電感并聯(lián)，總電感大大減小)。

4、EMI電磁完整性(場(chǎng)-路干擾/抗干擾)

在高頻信號(hào)下，電路中的連接線、引腳都可以作為天線向外輻射電磁波，這些天線也可以接收來(lái)自其他電路的電磁波。

EMI牽涉三個(gè)環(huán)節(jié)：干擾源頭、易敏感接收端、雙向傳播路徑(末端則屬天線效應(yīng))。

EMI重在源頭/收端及路徑分析。包括抑制反射、抑制串?dāng)_、抑制共模電流、改進(jìn)互連設(shè)計(jì)。電纜、導(dǎo)線或封裝引腳都有不同程度的天線特性，PCB、IC的走線和電纜都能作為發(fā)射源。

對(duì)于干擾源頭，可以在電源端添加旁路電容，濾除高頻電流。對(duì)于易敏感接收端，可以在負(fù)載端添加去耦電容，將高頻電流導(dǎo)入地。在產(chǎn)品的連接電纜上套裝鐵氧體可以抑制電纜的輻射或磁珠吸收電纜的輻射。

5、TI時(shí)序完整性(信號(hào)及時(shí)鐘的時(shí)序抖動(dòng))

在眼圖中，噪聲影響眼高;抖動(dòng)影響眼寬。

時(shí)域中的抖動(dòng)就是頻域中的相位噪聲。

在高速I/O系統(tǒng)中，由芯片/封裝與PCB引起的抖動(dòng)不再孤立，要對(duì)芯片/封裝與PCB互連同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。