PCB設(shè)計(jì)\"信號(hào)完整性\"名詞解釋

1、什么是信號(hào)完整性(Singnal Integrity)?

信號(hào)完整性(Singnal Integrity)是指一個(gè)信號(hào)在電路中產(chǎn)生正確的相應(yīng)的能力。信號(hào)具有良好的信號(hào)完整性(Singnal Integrity)是指當(dāng)在需要的時(shí)候，具有所必須達(dá)到的電壓電平數(shù)值。主要的信號(hào)完整性問題包括反射、振蕩、地彈、串?dāng)_等。常見信號(hào)完整性問題及解決方法：問題 可能原因 解決方法 其他解決方法過大的上沖 終端阻抗不匹配 終端端接 使用上升時(shí)間緩慢的驅(qū)動(dòng)源直流電壓電平不好 線上負(fù)載過大 以交流負(fù)載替換直流負(fù)載 在接收端端接，重新布線或檢查地平面過大的串?dāng)_ 線間耦合過大 使用上升時(shí)間緩慢的發(fā)送驅(qū)動(dòng)器 使用能提供更大驅(qū)動(dòng)電流的驅(qū)動(dòng)源時(shí)延太大 傳輸線距離太長 替換或重新布線， 檢查串行端接頭 使用阻抗匹配的驅(qū)動(dòng)源， 變更布線策略振蕩 阻抗不匹配 在發(fā)送端串接阻尼電阻

2、什么是串?dāng)_(crosstalk)?

串?dāng)_(crosstalk)是指在兩個(gè)不同的電性能之間的相互作用。產(chǎn)生串?dāng)_(crosstalk)被稱為Aggressor，而另一個(gè)收到干擾的被稱為 Victim.通常，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)既是Aggressor(入侵者)，又是Victim(受害者)。振鈴和地彈都屬于信號(hào)完整性問題中單信號(hào)線的現(xiàn)象(伴有地平面回路)，串?dāng)_則是由同一PCB板上的兩條信號(hào)線與地平面引起的，故也稱為三線系統(tǒng)。串?dāng)_是兩條信號(hào)線之間的耦合，信號(hào)線之間的互感和互容引起線上的噪聲。容性耦合引發(fā)耦合電流，而感性耦合引發(fā)耦合電壓。PCB板層的參數(shù)、信號(hào)線間距、驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性及線端接方式對(duì)串?dāng)_都有一定的影響。

3、什么是電磁兼容(EMI)?

電磁干擾(Ectromagnetioc Interference)，或者電磁兼容性(EMI)，是從一個(gè)傳輸線(transmission line)(例如電纜、導(dǎo)線或封裝的管腳)得到的具有天線特性的結(jié)果。印制電路板、集成電路和許多電纜發(fā)射并影響電磁兼容性(EMI)的問題。FCC定義了對(duì)于一定的頻率的最大發(fā)射的水平(例如應(yīng)用于飛行控制器領(lǐng)域)。

4、在時(shí)域(time domain)和頻域(frequency domain)之間又什么不同?

時(shí)域(time domain)是一個(gè)波形的示波器觀察，它通常用于找出管腳到管腳的延時(shí)(delays)、偏移(skew)、過沖(overshoot)、下沖(undershoot)以及設(shè)置時(shí)間(setting times)。頻域(frequency domain)是一個(gè)波形的頻譜分析議的觀察，它通常用于波形與頻譜分析議的觀察、它通常用于波形與FCC和其他EMI控制限制之間的比較。(有一個(gè)比喻，它就象收音機(jī)――你在時(shí)域(time domain)中聽見，但是你要找到你喜歡的電臺(tái)是在頻域(frequency domain)內(nèi)。)

5、什么是傳輸線(transmission line)?

傳輸線(transmission line)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)(導(dǎo)線)，并且它的電流返回的地和電源。電路板上的導(dǎo)線具有電阻、電容和電感等電氣特性。在高頻電路設(shè)計(jì)中，電路板線路上的電容和電感會(huì)使導(dǎo)線等效于一條傳輸線。傳輸線是所有導(dǎo)體及其接地回路的總和。

6、什么是阻抗(impedance)?

阻抗(Impedance)是傳輸線(transmission line)上輸入電壓對(duì)輸入電流地比率值(Z0=V/I)。當(dāng)一個(gè)源發(fā)出一個(gè)信號(hào)到線上，它將阻礙它驅(qū)動(dòng)，直到2*TD時(shí)，源并沒有看到它地改變，在這里TD時(shí)線的延時(shí)(delay)。

7、什么是反射(reflection)?

反射(reflection)就是在傳輸線(transmission line)上回波(echo)。信號(hào)功率(電壓和電流)的一部分傳輸?shù)骄€上并達(dá)到負(fù)載處，但是有一部分被反射(reflected)了。如果負(fù)載和線具有相同的(impedance)，發(fā)射(Reflections)就不會(huì)發(fā)生了。如果負(fù)載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負(fù)，反之，如果負(fù)載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經(jīng)過連接器的傳輸及電源平面的不連續(xù)等因素的變化均會(huì)導(dǎo)致此類反射。

8、什么是過沖(overshoot)?

過沖(Overshoot)就是第一個(gè)峰值或谷值超過設(shè)定電壓――對(duì)于上升沿是指最高電壓而對(duì)于下降沿是指最低電壓。下沖(Undershoot)是指下一個(gè)谷值或峰值。過分的過沖(overshoot)能夠引起保護(hù)二級(jí)管工作，導(dǎo)致過早地失效。

9、什么是下沖(undershoot)(ringback)?

過沖(Overshoot)是第二個(gè)峰值或谷值超過設(shè)定電壓――對(duì)于上升沿過度地谷值或?qū)τ谙陆笛靥蟮胤逯?。過分地下沖(undershoot)能夠引起假的時(shí)鐘或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(誤操作)。

10、什么是振蕩(ringing)?

振蕩(ringing)就是在反復(fù)出現(xiàn)過沖(overshoots)和下沖(undershoots)。信號(hào)的振鈴(ringing)和環(huán)繞振蕩(rounding)由線上過度的電感和電容引起，振鈴屬于欠阻尼狀態(tài)而環(huán)繞振蕩屬于過阻尼狀態(tài)。信號(hào)完整性問題通常發(fā)生在周期信號(hào)中，如時(shí)鐘等，振蕩和環(huán)繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的，振蕩可以通過適當(dāng)?shù)亩私佑枰詼p小，但是不可能完全消除。

11、什么是設(shè)置時(shí)間(settling time)?

設(shè)置時(shí)間(settling time)就是對(duì)于一個(gè)振蕩的信號(hào)穩(wěn)定到指定的最終值所需的時(shí)間。

12、什么是管腳到管腳(pin-to-pin)的延時(shí)(delay)

管腳到管腳(pin-to-pin)的延時(shí)(delay)是指在驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)的改變到接收器狀態(tài)的改變之間的時(shí)間。這些改變通常發(fā)生在給定電壓的50%，最小延時(shí)發(fā)生在當(dāng)輸出第一個(gè)越過給定的閥值(threshold)，最大延時(shí)發(fā)生在當(dāng)輸出最后一個(gè)越過電壓閥值(threshold)，測量所有這些情況。

13、什么是偏差(skew)?

信號(hào)的偏移(skew)是對(duì)于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)不同的接收器端之間的時(shí)間偏差。偏移(skew)還被用于在邏輯門上時(shí)鐘和數(shù)據(jù)達(dá)到的時(shí)間偏差。

14、什么是斜率(slew rate)?

Slew rate就是邊沿斜率(-個(gè)信號(hào)的電壓有關(guān)的時(shí)間改變的比率)。I/O的技術(shù)規(guī)范(如PCI)狀態(tài)在兩個(gè)電壓之間，這就是斜率(slew rate)，它是可以測量的。

15、什么是靜態(tài)線(quiescent line)?

在當(dāng)前的時(shí)鐘周期內(nèi)它不出現(xiàn)切換。另外也被稱為“stuck-at”線或static線。串?dāng)_(crosstalk)能夠引起一個(gè)靜態(tài)線在時(shí)鐘周期內(nèi)出現(xiàn)切換。

16、什么是假時(shí)鐘(false clocking)?

假時(shí)鐘是指時(shí)鐘越過閥值(threshold)無意識(shí)的改變了狀態(tài)(有時(shí)在VIL或VIH之間)。通常由過分的下沖(undershoot)或串?dāng)_(crostalk)引起。

17、什么是IBIS?

IBIS 是描述一個(gè)輸入/輸出(I/O)的EIA/ANSI標(biāo)準(zhǔn)。它包括DC(V/I)特性曲線，也包括瞬態(tài)(transient)(V/T)特性曲線 curves as tables of points.HyperLynx的網(wǎng)頁(Web site)上有連接到IBIS的主頁，另外還有許多供應(yīng)商的IBIS模型網(wǎng)頁。[!--empirenews.page--]

18、什么是IC 的高低電平切換門限?

IC 的高低電平切換門限指的是信號(hào)從一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需的電壓值。當(dāng)發(fā)生阻尼現(xiàn)象時(shí)，信號(hào)電平可能會(huì)超過IC 輸入腳的切換門限，從而將IC 輸入信號(hào)變?yōu)椴淮_定狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘出錯(cuò)或數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤接收。

19、什么是地電平面反彈噪聲和回流噪聲?

在電路中有大的電流涌動(dòng)時(shí)會(huì)引起地平面反彈噪聲(簡稱為地彈)，如大量芯片的輸出同時(shí)開啟時(shí)，將有一個(gè)較大的瞬態(tài)電流在芯片與板的電源平面流過，芯片封裝與電源平面的電感和電阻會(huì)引發(fā)電源噪聲，這樣會(huì)在真正的地平面(0V)上產(chǎn)生電壓的波動(dòng)和變化，這個(gè)噪聲會(huì)影響其它元器件的動(dòng)作。負(fù)載電容的增大、負(fù)載電阻的減小、地電感的增大、同時(shí)開關(guān)器件數(shù)目的增加均會(huì)導(dǎo)致地彈的增大。

由于地電平面(包括電源和地)分割，例如地層被分割為數(shù)字地、模擬地、屏蔽地等，當(dāng)數(shù)字信號(hào)走到模擬地線區(qū)域時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生地平面回流噪聲。同樣電源層也可能會(huì)被分割為2.5V，3.3V，5V等。所以在多電壓PCB設(shè)計(jì)中，地電平面的反彈噪聲和回流噪聲需要特別關(guān)心。

20、高頻電路的定義在數(shù)字電路中，是否是高頻電路取決于信號(hào)的上升沿和下降沿，而不是信號(hào)的頻率。

F=1/(Tr*л)，Tr為上升/下降延時(shí)時(shí)間，當(dāng)F>100MH他(Tr<3.183ns)時(shí)就應(yīng)該按照高頻電路進(jìn)行考慮，下列情況必須按照高頻規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)：l 系統(tǒng)時(shí)鐘超過50Hz l 采用了上升/下降時(shí)間少于5ns的器件l 數(shù)字/模擬混合電路高頻電路是取決于信號(hào)的上升沿和下降沿，而不是信號(hào)的頻率，但是不是Tr>100MHz時(shí)才考慮高頻規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，還要看傳輸介質(zhì)而定。通常約定如果線傳播延時(shí)大于1/2數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)端的上升時(shí)間，則認(rèn)為此類信號(hào)是高速信號(hào)并產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。信號(hào)的傳遞發(fā)生在信號(hào)狀態(tài)改變的瞬間，如上升或下降時(shí)間。信號(hào)從驅(qū)動(dòng)端到接收端經(jīng)過一段固定的時(shí)間，如果傳輸時(shí)間小于1/2的上升或下降時(shí)間，那么來自接收端的反射信號(hào)將在信號(hào)改變狀態(tài)之前到達(dá)驅(qū)動(dòng)端。反之，反射信號(hào)將在信號(hào)改變狀態(tài)之后到達(dá)驅(qū)動(dòng)端。如果反射信號(hào)很強(qiáng)，疊加的波形就有可能會(huì)改變邏輯狀態(tài)。

21、什么是長線高速系統(tǒng)中的長線(Electrically Long Trace)定義可以從頻域和時(shí)域兩個(gè)角度來定義：

1、頻域定義當(dāng)線的物理長度和相應(yīng)頻率的波長具有可比性的時(shí)候(一般的說法是大于1/20波長)，這樣的trace就叫做Electrically Long Trace，或者transmission line(傳輸線)。

2、時(shí)域定義當(dāng)信號(hào)線的傳輸延遲(propagation delay)大于1/4信號(hào)上升時(shí)間(rise time)的時(shí)候，該信號(hào)線就應(yīng)視為傳輸線。

22、什么是微帶線和帶狀線1.微帶線參考平面(reference plane)只有一個(gè)。有些朋友認(rèn)為微帶線就是位于PCB表層的傳輸線。這種看法不全面。設(shè)想一種情形：一個(gè)多層板的第一和第二層都是信號(hào)層，而第三層為地平面，那么在第一和第二層上的傳輸線都叫微帶線。位于第二層的微帶線也叫做掩埋式微帶線(embedded microstrip)。微帶線的阻抗與它的線寬、頻率和它到參考平面的垂直距離有關(guān)。

2.帶狀線位于兩個(gè)參考平面之間，所以它有兩個(gè)參考平面，阻抗的計(jì)算公式與微帶線的也不一樣。當(dāng)然，帶狀線肯定是位于PCB的內(nèi)層。