處理高速電子系統(tǒng)的信號完整性問題一直是比較難于處理的,特別是越來越多的芯片的工作頻率超過了100 MHz,信號的邊沿越來越陡(已達到ps級) ,這些高速器件性能的提高更增加了系統(tǒng)設計的難度。同時,高速系統(tǒng)的體積不斷減小使得PCB板的密度迅速提高。信號完整性問題已經(jīng)成為新一代高速產品設計中越來越值得注意的問題。
信號完整性問題的產生
信號完整性(SI)是指信號在電路中以正確的時序和電壓作出響應的能力。從廣義上講，信號完整性問題表現(xiàn)為反射、串擾、地彈和延遲等。
反射
反射現(xiàn)象的原因是信號傳輸線的兩端沒有適當?shù)淖杩蛊ヅ?。信號功率的一部分?jīng)傳輸線傳給了負載，另一部分則向源端反射。布線的幾何形狀、不適當?shù)亩私印⒔?jīng)過連接器的傳輸及電源平面不連續(xù)等因素均會導致信號反射。
串擾
信號串擾是沒有電氣連接的信號線之間的感應電壓和感應電流產生的電磁耦合現(xiàn)象。這種耦合會使信號線起到天線的作用，其電容性耦合引發(fā)耦合電流，感性耦合引發(fā)耦合電壓，并且隨著時鐘速度的升高和設計尺寸的減小而加大。由于信號線上的交變信號電流通過時，會產生交變磁場，處于磁場中的其它信號線會感應出信號電壓。在低頻段，導線間的耦合可以建立為耦合電容模型;在高頻段，可以建立為LC集中參數(shù)導線或傳輸線模型。另外，PCB板層的參數(shù)、信號線間距、驅動端和接收端的電氣特性以及信號線端接方式對串擾都有一定的影響。
地彈
主要是源于電源路徑以及IC封裝所造成的分布電感的存在。當系統(tǒng)的速度愈快，同時轉換邏輯狀態(tài)的I/O引腳個數(shù)愈多時，會產生較大的瞬態(tài)電流，導致電源線上和地線上電壓波動和變化，這就是平時所說的接地反彈。接地反彈噪聲會造成系統(tǒng)的邏輯運作產生誤動作。
延遲
延遲是指信號在PCB板的導線上以有限的速度傳輸，信號從發(fā)送端到達接收端的傳輸延遲。信號的延遲會對系統(tǒng)的時序產生影響，在高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸延遲主要取決于導線的長度和導線周圍介質的介電常數(shù)。
確保信號完整性的方法
改善反射
反射是產生干擾的幾個重要來源之一。為改善因線路的阻抗不匹配而造成反射的現(xiàn)象，可以選擇采用布線拓撲和終端匹配的辦法。
利用適當?shù)牟季€拓撲法來改善反射現(xiàn)象，通常不需要增添額外的電子組件。常見的布線拓撲法有:樹狀法、菊鏈法、星狀法和回路法，如圖1所示。其中樹狀法是最差的布線法，它所造成的反射量最大，易產生額外的負載效應和振鈴現(xiàn)象;菊鏈法是比較好的布線法，適合于地址或數(shù)據(jù)總線以及并聯(lián)終端的布線;星狀法適合串聯(lián)終端的布線，但條件是輸出緩沖器(驅動器)必須是低輸出阻抗以及具有較高的驅動能量;回路法基本上與菊鏈法類似，但是回路法會耗費較多的回路面積，對于共模噪聲的免疫能力較差。
圖 1布線的拓撲方式
除了布線拓撲法，為克服反射現(xiàn)象的干擾，終端匹配是最有效的方法。傳輸線的特性阻抗一般是定值。對于CMOS電路而言，信號的驅動端的輸出阻抗比較小，而接收端的輸入阻抗比較大?？梢栽谛盘栕詈蟮慕邮斩似ヅ湟粋€電阻，這樣匹配和接收端并聯(lián)的結果就可以和傳輸線的特性阻抗相匹配了，信號的性能得到了比較好的改善。
解決串擾
電路設計中,通常感性串擾要比容性串擾大，所以可以重點考慮導體間的互感問題。兩導體間的感性串擾系數(shù)C可以通過下式得出:
其中, 常數(shù)K 取決于信號的建立時間和信號線的干擾長度(平行長度)，H 為信號線到平板地層的距離， D 為兩干擾線的中心的距離。K 值的計算十分復雜,但由于它總是小于1 ,所以串擾系數(shù)的最壞情況為：
由上面兩式可知,減小串擾的主要途徑有:盡可能得增大線間距離(增大D ) ,盡可能得將信號線靠近地層(減小H ) ,減小兩線的平行長度(減小K值) 。從實際的角度出發(fā),最可行的方法是增大線間距離。
圖2 視頻分配器結構圖
圖3 理想傳輸線模型
抑制接地反彈
要抑制接地反彈的影響，首先是減少IC封裝的分布電感。其次，是采用分布電感較小的IC封裝技術，表面貼片式封裝通常比DIP封裝的接地反彈低30%。然后是降低印刷電路板端的分布電感量。由于電感與導體的長度成正比，與寬度成反比，所以在高速數(shù)字系統(tǒng)中容易出現(xiàn)反彈。可以在里層擺放一個或一個以上的接地層，且接地層面積寬廣，可以減少其地端回路的電感量。另外，電路設計時應盡可能避免讓某個邏輯門驅動太多的負載。因為在數(shù)字電路中，若有多個并聯(lián)的邏輯裝置，總輸入電容是每個邏輯裝置的輸入電容之和。
視頻分配器信號完整性分析
當把一路輸出視頻信號提供給多臺視頻設備使用時，就要考慮使用VGA視頻分配器。其實現(xiàn)方式主要有：晶體管放大驅動多路輸出和集成芯片視頻分配器兩種。由于前者電源電壓低，電路的動態(tài)范圍小，且高頻衰減較大，只能用在對這兩方面要求不高的場合。因此，為使所設計的分配器能夠實現(xiàn)高保真?zhèn)鬏敚疚牟捎眉尚酒鳛橐曨l驅動。
采用15針VGA母插頭作為視頻信號輸入輸出接口，信號經(jīng)過VGA插頭后，分為行、場及R、G、B信號分別輸出。行、場信號經(jīng)過晶體管放大至輸出端，R、G、B信號經(jīng)集成芯片MAX4020視頻放大器驅動和終端濾波網(wǎng)絡濾波后送至輸出端，如圖2所示。
MAX4020是單位增益放大器，+5V電源驅動，輸出電流可達120mA。在VGA 分配器的設計中，信號完整性最突出的問題就是阻抗匹配。理想傳輸線L被內阻為R0的數(shù)字信號驅動源Vs驅動，傳輸線的特性阻抗為Z0，負載阻抗為RL，如圖3所示。如果終端阻抗(B點)跟傳輸線阻抗(A點)不匹配，就會形成反射，反射回來的電壓幅值由負載反射系數(shù)ρL決定。ρL可由下式得出：
ρL=(RL-Z0)/(RL+Z0)
從終端反射回的電壓到達源端時，可再次反射回負載端，形成二次反射，此時反射電壓的幅值由源反射系數(shù)ρs決定，ρs可由下式得出：
ρs=(R0-Z0)/(R0+Z0)
由上式可知，只要匹配電路的設計滿足源端阻抗R0等于傳輸線的特性阻抗Z0，或者負載阻抗RL等于傳輸線的特性阻抗Z0即可。
在實際的電路設計中一般都采用源端阻抗等于負載端阻抗的端接匹配方式 ，在負載端加入一下拉到地的電阻來實現(xiàn)匹配。由于系統(tǒng)負載阻抗為75Ω, 芯片輸出電阻為8Ω，因此，只要在源端串連一個67Ω的匹配電阻RTO即可。所插入的串行電阻阻值加上驅動源的輸出阻抗應大于等于傳輸線阻抗(輕微過阻尼)。這種匹配方式使源端反射系數(shù)為零，從而抑制了從負載反射回來的信號。其優(yōu)點在于：每條線只需要一個端接電阻，無需與電源相連接，消耗功率小。實際調試中得到的圖像無重影、雪花，但稍有偏暗。原因是采用此端接方式，源端匹配電阻在輸出電路中分壓，從而導致圖像顯示偏暗。
對電路做如圖4所示的配置：在反饋端加一個接地電阻RG，從而放大電路的驅動電壓。設計當中要注意反饋電阻RF和輸入電阻RG的阻值選擇要符合系統(tǒng)配置。阻值過大會增加電壓噪聲，影響放大器的輸入容量，從而產生不必要的零極點，降低帶寬甚至產生振蕩。調試結果：圖像顯示與輸入相同。
仿真分析
在現(xiàn)代高速電路設計中，仿真分析工具能夠給設計者反饋準確、直觀的設計結果，便于提早發(fā)現(xiàn)隱患，及時修改，縮短設計時間，降低設計成本。
圖4 MAX4020配置原理圖
圖5 Hyperlynx仿真結果
BoardSim是HyperLynx公司開發(fā)的仿真工具。BoardSim用于布線以后快速地分析設計中的信號完整性、電磁兼容性和串擾問題，生成串擾強度報告，區(qū)分并解決串擾問題。電路在沒有進行阻抗匹配以及進行阻抗匹配后的仿真結果如圖5所示?？梢钥吹?，沒有進行阻抗匹配的電路示波器中接收端的電壓波形有很大的過沖和下沖，這樣在接收端IC 每個周期將會收到一個非常陡的時鐘信號，而且這樣的波形將會引起很強的電磁輻射。而進行匹配的電路經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)信號完整性問題得到了很好的解決。
結語
本文分析了高速電路設計中的信號完整性問題，提出了改善信號完整性的一些措施，并結合一個VGA視頻分配器系統(tǒng)的設計過程，具體分析了改善信號完整性的方法。實踐證明，正確的電路設計結合合理的建模仿真是解決高速系統(tǒng)設計中信號完整性問題的有效措施。
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