高速電路傳輸線效應(yīng)和信號(hào)完整性問(wèn)題分析

隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提高，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們正在從事100MHZ以上的電路設(shè)計(jì)，總線的工作頻率也已經(jīng)達(dá)到或者超過(guò)50MHZ，有一大部分甚至超過(guò)100MHZ。目前約80% 的設(shè)計(jì)的時(shí)鐘頻率超過(guò)50MHz，將近50% 以上的設(shè)計(jì)主頻超過(guò)120MHz，有20%甚至超過(guò)500M。

當(dāng)系統(tǒng)工作在50MHz時(shí)，將產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和信號(hào)的完整性問(wèn)題；而當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到120MHz時(shí)，除非使用高速電路設(shè)計(jì)知識(shí)，否則基于傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的PCB將無(wú)法工作。因此，高速電路信號(hào)質(zhì)量仿真已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須采取的設(shè)計(jì)手段。只有通過(guò)高速電路仿真和先進(jìn)的物理設(shè)計(jì)軟件，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的可控性。

傳輸線效應(yīng)

基于上述定義的傳輸線模型，歸納起來(lái)，傳輸線會(huì)對(duì)整個(gè)電路設(shè)計(jì)帶來(lái)以下效應(yīng)。
· 反射信號(hào)Reflected signals
· 延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤Delay Timing errors
· 過(guò)沖(上沖/下沖)Overshoot/Undershoot
· 串?dāng)_Induced Noise (or crosstalk)
· 電磁輻射EMI radiation

1 反射信號(hào)

在高速電路中,信號(hào)的傳輸如上圖所示,如果一根走線沒有被正確終結(jié)(終端匹配)，那么來(lái)自于驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)脈沖在接收端被反射，從而引發(fā)不可預(yù)期效應(yīng)，使信號(hào)輪廓失真。當(dāng)失真變形非常顯著時(shí)可導(dǎo)致多種錯(cuò)誤，引起設(shè)計(jì)失敗。同時(shí)，失真變形的信號(hào)對(duì)噪聲的敏感性增加了，也會(huì)引起設(shè)計(jì)失敗。如果上述情況沒有被足夠考慮，EMI將顯著增加，這就不單單影響自身設(shè)計(jì)結(jié)果，還會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的失敗。

反射信號(hào)產(chǎn)生的主要原因：過(guò)長(zhǎng)的走線；未被匹配終結(jié)的傳輸線，過(guò)量電容或電感以及阻抗失配。

2 延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤

信號(hào)延時(shí)和時(shí)序錯(cuò)誤表現(xiàn)為：信號(hào)在邏輯電平的高與低門限之間變化時(shí)保持一段時(shí)間信號(hào)不跳變。過(guò)多的信號(hào)延時(shí)可能導(dǎo)致時(shí)序錯(cuò)誤和器件功能的混亂。

通常在有多個(gè)接收端時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。電路設(shè)計(jì)師必須確定最壞情況下的時(shí)間延時(shí)以確保設(shè)計(jì)的正確性。信號(hào)延時(shí)產(chǎn)生的原因：驅(qū)動(dòng)過(guò)載，走線過(guò)長(zhǎng)。

3 過(guò)沖

過(guò)沖來(lái)源于走線過(guò)長(zhǎng)或者信號(hào)變化太快兩方面的原因。雖然大多數(shù)元件接收端有輸入保護(hù)二極管保護(hù)，但有時(shí)這些過(guò)沖電平會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)元件電源電壓范圍，損壞元器件。

4 串?dāng)_

串?dāng)_表現(xiàn)為在一根信號(hào)線上有信號(hào)通過(guò)時(shí)，在PCB板上與之相鄰的信號(hào)線上就會(huì)感應(yīng)出相關(guān)的信號(hào)，我們稱之為串?dāng)_。

信號(hào)線距離地線越近，線間距越大，產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)越小。異步信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)更容易產(chǎn)生串?dāng)_。因此解串?dāng)_的方法是移開發(fā)生串?dāng)_的信號(hào)或屏蔽被嚴(yán)重干擾的信號(hào)。