視頻分配器中提高信號完整性的方法

1 引言

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100m赫茲，信號的邊沿越來越陡（已達(dá)到ps級），這些高速器件性能的提高更增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。同時(shí)，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(chǎn)品設(shè)計(jì)中越來越值得注意的問題。

信號完整性問題的產(chǎn)生

信號完整性（si）是指信號電路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力，從廣義上講，信號完整性問題表現(xiàn)為反射、串?dāng)_、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(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ?，信號的功率的一部分?jīng)傳輸線傳給了負(fù)載，另一部分則向源端反射，布線的幾何形狀、不適當(dāng)端接，經(jīng)過連接器的傳輸及電源平面不連續(xù)等因素均會導(dǎo)致信號反射。

串?dāng)_

信號串?dāng)_是沒有電氣連接的信號線之間的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流產(chǎn)生的電磁耦合現(xiàn)象，這種耦合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(shí)鐘速度的升高和設(shè)計(jì)尺寸的減小而加大，由于信號線上的交變信號電流通過時(shí)，會產(chǎn)生交變磁場，處于磁場中的其他信號線會感應(yīng)出信號電壓，在低頻段，導(dǎo)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(dǎo)線和傳輸線模型。另外，pcb板層的參數(shù)，信號線間距、驅(qū)動端和接受端的電氣特性以及信號線端接方式對串?dāng)_都有一定的影響。

地彈

主要是源于電源路徑以及芯片封裝所造成的分布電感的存在。當(dāng)系統(tǒng)的速度愈快，同時(shí)轉(zhuǎn)換邏輯狀態(tài)的i/o引腳個(gè)數(shù)愈多時(shí)，會產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，導(dǎo)致電源線上和地線上電壓的波動和變化，這就是平時(shí)所說的接地反彈。接地反彈噪聲會造成系統(tǒng)的邏輯運(yùn)作產(chǎn)生誤動作。

延遲

延遲是指信號在pcb板的導(dǎo)線上以有限的速度傳輸，信號從發(fā)送端到達(dá)接受端的傳輸延遲，信號的延遲會對系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響，在高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。

確保信號完整性的方法

改善反射

反射是產(chǎn)生干擾的幾個(gè)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?fù)浜徒K端匹配的方法。

利用適當(dāng)?shù)牟季€拓?fù)浞▉砀纳品瓷洮F(xiàn)象，通常不需要增添額外的電子元件。常見的布線拓?fù)浞ㄓ校簶錉罘?，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(chǎn)生額外的負(fù)載效應(yīng)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(qū)動器）必須是低輸出阻抗并具有較高的驅(qū)動能量，回路法基本與菊鏈法類似，但是回路法會耗費(fèi)較多的回路面積，對于共模噪聲的免疫能力較差。

除了布線拓?fù)浞?，為克服反射現(xiàn)象的干擾，中斷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，信號驅(qū)動端的輸出阻抗比小，而接收端的輸入阻抗比較大，可以在信號最后的接收端匹配一個(gè)電阻，這樣匹配和接收端并聯(lián)的結(jié)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?dāng)_

電路設(shè)計(jì)中，通常感性串?dāng)_要比容性串?dāng)_大，所以可以重點(diǎn)考慮導(dǎo)體間的互感問題，兩導(dǎo)體間的感性串?dāng)_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(shí)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2條干擾線的中心距離，k值的計(jì)算十分復(fù)雜，但由于它總是小于1，所以串?dāng)_系數(shù)的最壞情況為：

由上面兩式可知，減小串?dāng)_的主要途徑有：盡可能的增大線間距離（增大d），盡可能的將信號線靠近地層（減小h），減小2條線的平行長度（減小k值）。從實(shí)際的角度出發(fā)，最可行的方法是增大線間距離。

抑制接地反彈

要抑制接地反彈的影響，首先是減小封裝的分布電感，其次，是采用分布電感較小的封裝技術(shù)，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(dǎo)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(gè)或一個(gè)以上的接地層，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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免讓某個(gè)邏輯門驅(qū)動太多的負(fù)載。因?yàn)樵跀?shù)字電路中，若有多個(gè)并聯(lián)的邏輯裝置，總輸入電容是每個(gè)邏輯裝置的輸入電容之和。

視頻分配器信號完整性分析

當(dāng)把一路輸出視頻信號提供給多臺視頻設(shè)備使用時(shí)，就要考慮使用vga視頻分配器，其實(shí)現(xiàn)方式主要有晶體管放大驅(qū)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(shè)計(jì)的分配器能夠?qū)崿F(xiàn)高保真?zhèn)鬏敚疚牟捎眉尚酒鳛橐曨l驅(qū)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(qū)動和終端濾波網(wǎng)絡(luò)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(qū)動，輸出電流可達(dá)120ma。在vga分配器的設(shè)計(jì)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(nèi)阻為r0的數(shù)字信號驅(qū)動源vs驅(qū)動，傳輸線的特性阻抗為z0，負(fù)載阻抗為rl，如圖3所示，如果終端阻抗（b點(diǎn)）跟傳輸線阻抗（a點(diǎn)）不匹配，就會形成反射，反射回來的電壓幅值由負(fù)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(dá)源端時(shí)，可再次反射回負(fù)載端，形成二次反射，此時(shí)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(shè)計(jì)滿足源端阻抗r0等于傳輸線的特性阻抗z0，或者負(fù)載阻抗rl等于傳輸線的特性阻抗z0即可。

在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中一般都采用源端阻抗等于負(fù)載端阻抗的端接匹配方式，在負(fù)載端加入一個(gè)下拉到地的電阻在實(shí)現(xiàn)匹配。由于系統(tǒng)阻抗負(fù)載為75歐姆。芯片輸出電阻為8歐姆，因此，只要在源端串聯(lián)一個(gè)67歐姆的匹配電阻rto即可。所插入的串行電阻阻值加上驅(qū)動源輸出的輸出阻抗應(yīng)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(fù)載反射回來的信號，其優(yōu)點(diǎn)在于：每條線只需要一個(gè)端接電阻，無需與電源相連接，消耗功率小。實(shí)際調(diào)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(dǎo)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(gè)接地電阻rg，從而放大電路的驅(qū)動電壓，設(shè)計(jì)當(dāng)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(chǎn)生不必要的零極點(diǎn)，降低帶寬甚至產(chǎn)生振蕩，調(diào)試結(jié)果：圖像顯示與輸入相同。

仿真分析

在現(xiàn)代高速電路設(shè)計(jì)中，仿真分析工具能夠給設(shè)計(jì)者反饋準(zhǔn)確、直觀的設(shè)計(jì)結(jié)果，便于提早發(fā)現(xiàn)隱患，及時(shí)修改，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，降低設(shè)計(jì)成本。

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(shè)計(jì)中的信號完整性、電磁兼容性和串?dāng)_問題，生成串?dāng)_強(qiáng)度報(bào)告，區(qū)分并解決串?dāng)_問題，電路在沒有進(jìn)行阻抗匹配以及進(jìn)行阻抗匹配后的仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥吹剑瑳]有進(jìn)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(gè)周期將會受到一個(gè)非常陡的時(shí)鐘信號，而且這樣的波形將會引起很強(qiáng)的電磁輻射。而進(jìn)行匹配的電路經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)信號萬這寫問題得到了很好的解決。

結(jié)語

本文分析了高速電路設(shè)計(jì)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(jié)合一個(gè)vga視頻分配器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。具體分析了改善信號完整性的方法，實(shí)踐證明，正確的電路設(shè)計(jì)結(jié)合合理的建模仿真是解決高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中信號完整性問題的有效措施。