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信号完整性 - 失真 🚧

单一网络上的信号失真问题分为三个方面:反射、信号质量问题、时序错误

反射

反射产生的根本原因,是 信号前进方向的瞬时阻抗发生改变。有可能造成阻抗发生改变的源头:互连线的末端、走线横截面积改变、换层、返回路径平面上的间隙、附加元件如接插件、布线拓扑结构。

反射的来源

阻抗突变处的反射

当传输线上的瞬时阻抗发生突变,部分信号将沿着相反反向反射,另一部分将继续传输,但幅度有改变。反射信号的量值取决于瞬时阻抗的变化量,假设第一个区域瞬时阻抗为 Z1Z_1,第二个区域为 &Z_2&,则反射与入射信号幅值之比(反射系数)为:

ρ=VreflectedVincident=Z2Z1Z2+Z1\rho=\frac{V_{reflected}}{V_{incident}}=\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}

可见,两个区域阻抗相差越多,反射的信号量就越大。举个例子,如果 1V 的信号沿着特性阻抗为 50Ω 的传输线传播,进入特性阻抗为 75Ω 的区域时,反射系数算出来是 20%,则反射的电压为 0.2V。

阻性负载的反射

传输线的端接匹配有三种特殊情况:开路、短路、匹配。以下假设传输线特性阻抗为 50Ω,信号由源端到远端,入射电压为 1V。

终端为开路的情况下,末端瞬时阻抗无穷大,反射系数无限逼近 1,意味着入射的信号全部按照源路径反射回去,开路处入射波和反射波的电压之和为 2V。

终端为短路的情况下(与返回路径相短路),末端阻抗为 0,此时反射系数为 -1。入射信号到达远端时,将产生 -1V 的反射信号,向源端传播,所以此处电压为 0。

终端阻抗与特性阻抗相匹配的情况下(即终端阻抗也为 50Ω),反射系数为 0,此时不会存在反射电压,终端上的电压仅仅是入射信号的。

一般情况下(50Ω 阻抗),区域 2 阻抗与反射系数之间的关系大致如下图:

当区域 2 的阻抗小于区域 1 时,反射系数为负值,反射电压是负电压。假设终端阻性负载为 25Ω,那么反射系数为 -0.33,所以有 -0.33V 的电压被反射回源端,终端实际电压为 1+(-0.33)=0.67V。

反弹图

如果知道传输线的时延、信号通过各区域的阻抗与驱动器的初始电压,就可以计算处每个反射面的电压 / 任意一时间的电压。

假设驱动器源电压 1V,内阻 10Ω,传输线末端为开路,那么可以根据反射公式得出下面的反弹图与曲线:

反射的表现形式

反射通常表现为过冲、下冲、振铃。

过冲

过冲指的是振荡的第一个峰值,分为正过冲和负过冲。危害是可能会冲击损伤器件(大于 VCC 或小于 GND)。另外,正过冲会形成干扰源,对其他器件造成串扰;负过冲导致管脚上的负电压使器件 PN 衬底(寄生二极管)前向偏置,大电流会熔断产生开路。

振荡(回冲 / 振铃)

回冲指多次跨越电平临界值,而振铃指经过多次反复才回归正常电平。

回冲 / 振铃的危害类似于多次过冲,在高低电平之间是一种不确定的状态。其产生原因是阻抗匹配不当(过大或过小)。

反射的解决方法

反射的解决办法,是尽量让互连线的阻抗保持恒定。具体有以下措施:

  1. 使用可控阻抗互连
  2. 增加电阻匹配,参考做法是始端串电阻或者末端并电阻
  3. 采用沿线拓扑的阻抗维持恒定的布线规则,最小化支路长度
  4. 对线的几何特征进行精细设计,比如避免直角或锐角
  5. PCB 布线避开干扰源和耦合路径

时序错误

两个或以上信号路径间的时延差称为错位。当信号线与时钟线存在超出预期的错位时,可能产生误触发和逻辑错误;当差分线存在错位时,部分查问信号可能会变成共模信号,造成失真。

参考与致谢

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
版权声明:文章采用 CC BY-NC-SA 4.0 协议,转载请注明出处。


信号边沿缓慢的产生原因也有可能是是驱动能力不够,或者负载过大(例如链路阻抗太大)。

解决信号边沿缓慢的方法是:

  1. 提高驱动能力;
  2. 减小负载。

由于驱动不足或者负载过大,信号边沿缓慢也常伴随着信号幅度较低的现象。


上升沿退化

有损线的不良影响

边沿快速变化的信号经过一段实际的传输线后,上升沿将被拉长:

上升沿退化导致的信号质量问题,是因为导线 / 介质中与频率相关的损耗,这种损耗高频比低频更大,会导致信号边沿缓慢。当上升沿退化到接近信号的单位间隔时,1bit 的信息将会泄露到下一个甚至下几个 bit,会造成数据采样错误。这种效应称为符号间干扰(ISI),在数据率大于或等于 1Gbps 时是引起问题的主要原因。

如果上升边的退化使得上升边拉长到接近单位间隔,那么就可能产生符号间干扰:

对高速信号质量的评估可以用眼图,可测量误码率(左图为有少许损耗,右图损耗较大):

传输线中的损耗

当信号沿传输线传播时,接收端有以下 5 种能量损耗的方式:

  1. 辐射损耗
  2. 耦合到相邻走线
  3. 阻抗不匹配
  4. 导线损耗
  5. 介质损耗

导线损耗(导线电阻与趋肤效应)