SI常见概念分析振铃(ringing)振铃现象描述的是信号在达到稳定状态之前出现一系列的振荡或波动使得信号看起来像是在振铃。这种现象类似于物理上的弹簧振子或钟摆的振动。振铃由反射等多种因素引起的它可以通过适当的端接或是改变PCB 参数予以减小但是不可能完全消除。非单调性(non-monotonic)信号的非单调性Non-monotonicity是指信号在传输过程中出现的波形变化使其不再保持单一方向的上升或下降而是出现多个峰值或谷值导致信号波形变得复杂和不规则。在数字电路中理想的信号波形应该是单调的即在信号的上升沿或下降沿中电压值应该平滑地从低电平过渡到高电平或者从高电平过渡到低电平而不会出现额外的波动。信号的串扰Crosstalk是电子电路设计中常见的一种噪声现象是相邻两条信号线之间的不必要的耦合信号线之间的互感和互容引起相邻线上的噪声。因此也就把它分为感性串扰和容性串扰分别引发耦合电流和耦合电压。串扰主要发生在高速数字电路中尤其是在高密度布线的PCB印刷电路板上信号线之间的距离很近增加了串扰发生的可能性。串扰可以分为两种类型1近端串扰Near-end Crosstalk, NEXT近端串扰是指相邻信号线上的信号直接影响到本端发送端或接收端信号的情况。2远端串扰Far-end CrosstalkFEXT远端串扰是指相邻信号线上的信号影响到另一端接收端或发送端信号的情况。为了减少串扰可以采取以下措施增加间距在设计时尽量增加信号线之间的距离减少耦合。使用屏蔽在相邻信号线之间使用屏蔽或地线可减少电磁场耦合。差分信号使用差分信号传输可以减少串扰的影响因为差分信号的干扰会在接收端相互抵消。阻抗控制保持传输线的阻抗连续避免阻抗突变引起的串扰。信号线排序合理规划信号线的排列顺序可以减少串扰的影响。信号延迟Delay信号传输延迟是指信号从发送端驱动器传输到接收端如接收器或负载所需的时间。信号传输延迟对电路的性能有重要影响特别是在高速数字电路中过长的传输延迟可能导致时序问题、信号失真、数据错误等。为了确保电路的正常工作设计者需要采取措施来控制传输延迟如优化电路板设计、选择合适的材料、使用高速驱动器和接收器等。信号传输延迟主要由以下几个因素决定介质特性信号传输的介质如PCB板的材料、电缆的绝缘材料等的电气特性会影响信号的传播速度。介质的介电常数是决定信号传播速度的关键因素之一。导体特性传输线的导体如铜线的电阻和电感特性也会影响信号的传输延迟。电阻会导致信号在传输过程中的损耗而电感则会影响信号的上升和下降时间。信号线长度信号传输的距离越长所需的时间自然越长。信号的上升时间和下降时间信号的边沿变化速度也会影响传输延迟。边沿变化越快信号达到稳定状态所需的时间越短。驱动器和接收器的特性驱动器的输出能力以及接收器的输入特性也会影响信号的传输延迟。例如驱动器的输出阻抗和接收器的输入电容都会影响信号的传输。温度温度变化会影响介质的介电常数和导体的电阻从而影响信号的传输延迟。信号频率不同频率成分的信号可能有不同的传输延迟这称为色散现象。电源噪声Power Supply Noise是指电源线上出现的非预期的电压波动或瞬态变化。这种噪声可以由多种因素引起并且会对电路的性能产生不利影响尤其是在高速或高精度的数字和模拟电路中。同步切换噪声(SSN)Simultaneous Switching Noise是指在数字电路中大量数字逻辑门或电路元件如MOSFET晶体管同时切換时产生的噪声。这种噪声主要是由于在开关过程中电流的快速变化di/dt引起的它导致电源和地平面上的电压波动进而影响电路的性能和信号完整性。电源和地平面的寄生电感在电流变化时会产生电压降这种现象称为Ldi/dt是SSN的一个主要来源。地弹(Ground Bounce)电流回路中的阻抗会引起电压变化当信号沿着传输线传播时相应的返回电流会流过地平面或返回路径。如果这个返回路径存在阻抗通常是由于地平面的不连续性、过孔的阻抗、或者地线的电阻等返回电流会在该阻抗上产生压降从而引起地电位的波动)这种现象称为地弹。- 地GND弹由信号的高到低转换产生- 电源VDD反弹是由低到高的转换产生的。轨道塌陷(Rail Collapse)轨道塌陷Rail Collapse是一个电源完整性问题指的是在高速数字电路中由于同步切換噪声SSN或其他电源噪声的影响导致电源轨Vcc或地轨GND电压暂时性地显著下降甚至接近或触及另一个轨的电压水平。这种情况通常发生在大量电路元件如MOSFET晶体管同时切换时由于电流的快速变化di/dt引起的电源和地平面上的电压波动。想要尽可能的规避信号完整性问题一般以下几个方面入手1、统一的阻抗设计确保整个信号路径的阻抗连续性包括走线、焊盘、连接器等。使用阻抗控制布线技术保持一致的走线宽度和间距在信号源端和接收端使用适当的终端匹配技术减少信号反射;2、避免阻抗不连续避免急剧的走线转弯和过孔因为它们会引起阻抗突变。在设计中使用渐变过渡如斜角走线和缓变过孔;3、降低走线串扰增加信号线之间的间距特别是在并行布线时。使用地线或地平面作为屏蔽减少相邻信号线之间的电容和电感耦合4、信号衰减选择合适的PCB材料具有较低的介电损耗。优化走线长度避免不必要的长距离传输;5、信号延时通过合理的布线和叠层设计减少信号传播延迟。对于高速信号进行时序分析和优化;6、叠层设计使用多层PCB设计内层作为电源和地层提供良好的屏蔽和阻抗控制。优化信号层与参考平面之间的距离以控制阻抗;7、电源与GND的设计设计稳定的电源分配系统使用去耦电容减少电源噪声。确保良好的地平面覆盖降低地回路阻抗;8、过孔的设计优化过孔尺寸和数量减少过孔对信号完整性的影响。使用盲埋孔技术减少过孔引起的阻抗不连续性。下一小结将具体讲解规避SI问题的一些措施
