如果你發(fā)現(xiàn),以前低速時(shí)代積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)在似乎都不靈了,同樣的設(shè)計(jì),以前沒(méi)問(wèn)題,可是現(xiàn)在卻無(wú)法工作,那么恭喜你,你碰到了硬件設(shè)計(jì)中最核心的問(wèn)題:信號(hào)完整性。早一天遇到,對(duì)你來(lái)說(shuō)是好事。
在過(guò)去的低速時(shí)代,電平跳變時(shí)信號(hào)上升時(shí)間較長(zhǎng),通常幾個(gè)ns。器件間的互連線不至于影響電路的功能,沒(méi)必要關(guān)心信號(hào)完整性問(wèn)題。但在今天的高速時(shí)代,隨著IC輸出開(kāi)關(guān)速度的提高,很多都在皮秒級(jí),不管信號(hào)周期如何,幾乎所有設(shè)計(jì)都遇到了信號(hào)完整性問(wèn)題。另外,對(duì)低功耗追求使得內(nèi)核電壓越來(lái)越低,1.2v內(nèi)核電壓已經(jīng)很常見(jiàn)了。因此系統(tǒng)能容忍的噪聲余量越來(lái)越小,這也使得信號(hào)完整性問(wèn)題更加突出。
廣義上講,信號(hào)完整性是指在電路設(shè)計(jì)中互連線引起的所有問(wèn)題,它主要研究互連線的電氣特性參數(shù)與數(shù)字信號(hào)的電壓電流波形相互作用后,如何影響到產(chǎn)品性能的問(wèn)題。主要表現(xiàn)在對(duì)時(shí)序的影響、信號(hào)振鈴、信號(hào)反射、近端串?dāng)_、遠(yuǎn)端串?dāng)_、開(kāi)關(guān)噪聲、非單調(diào)性、地彈、電源反彈、衰減、容性負(fù)載、電磁輻射、電磁干擾等。
信號(hào)完整性問(wèn)題的根源在于信號(hào)上升時(shí)間的減小。即使布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有變化,如果采用了信號(hào)上升時(shí)間很小的IC芯片,現(xiàn)有設(shè)計(jì)也將處于臨界狀態(tài)或者停止工作。
下面談?wù)剮追N常見(jiàn)的信號(hào)完整性問(wèn)題。
反射:
圖1顯示了信號(hào)反射引起的波形畸變。看起來(lái)就像振鈴,拿出你制作的電路板,測(cè)一測(cè)各種信號(hào),比如時(shí)鐘輸出或是高速數(shù)據(jù)線輸出,看看是不是存在這種波形。如果有,那么你該對(duì)信號(hào)完整性問(wèn)題有個(gè)感性的認(rèn)識(shí)了,對(duì),這就是一種信號(hào)完整性問(wèn)題。
很多硬件工程師都會(huì)在時(shí)鐘輸出信號(hào)上串接一個(gè)小電阻,至于為什么,他們中很多人都說(shuō)不清楚,他們會(huì)說(shuō),很多成熟設(shè)計(jì)上都有,照著做的。或許你知道,可是確實(shí)很多人說(shuō)不清這個(gè)小小電阻的作用,包括很多有了三四年經(jīng)驗(yàn)的硬件工程師,很驚訝么?可這確實(shí)是事實(shí),我碰到過(guò)很多。其實(shí)這個(gè)小電阻的作用就是為了解決信號(hào)反射問(wèn)題。而且隨著電阻的加大,振鈴會(huì)消失,但你會(huì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)上升沿不再那么陡峭了。這個(gè)解決方法叫阻抗匹配,奧,對(duì)了,一定要注意阻抗匹配,阻抗在信號(hào)完整性問(wèn)題中占據(jù)著極其重要的地位。
串?dāng)_:
如果足夠細(xì)心你會(huì)發(fā)現(xiàn),有時(shí)對(duì)于某根信號(hào)線,從功能上來(lái)說(shuō)并沒(méi)有輸出信號(hào),但測(cè)量時(shí),會(huì)有幅度很小的規(guī)則波形,就像有信號(hào)輸出。這時(shí)你測(cè)量一下與它鄰近的信號(hào)線,看看是不是有某種相似的規(guī)律!對(duì),如果兩根信號(hào)線靠的很近的話,通常會(huì)的。這就是串?dāng)_。當(dāng)然,被串?dāng)_影響的信號(hào)線上的波形不一定和鄰近信號(hào)波形相似,也不一定有明顯的規(guī)律,更多的是表現(xiàn)為噪聲形式。串?dāng)_在當(dāng)今的高密度電路板中一直是個(gè)讓人頭疼的問(wèn)題,由于布線空間小,信號(hào)必然靠得很近,因此你比須面對(duì)它,只能控制但無(wú)法消除。對(duì)于受到串?dāng)_的信號(hào)線,鄰近信號(hào)的干擾對(duì)他來(lái)說(shuō)就相當(dāng)于噪聲。
串?dāng)_大小和電路板上的很多因素有關(guān),并不是僅僅因?yàn)閮筛盘?hào)線間的距離。當(dāng)然,距離最容易控制,也是最常用的解決串?dāng)_的方法,但不是唯一方法。這也是很多工程師容易誤解的地方。更深入的討論,我會(huì)在后續(xù)文章中陸續(xù)推出。
軌道塌陷:
噪聲不僅存在于信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中,電源分配系統(tǒng)也存在。我們知道,電源和地之間電流流經(jīng)路徑上不可避免存在阻抗,除非你能讓電路板上的所有東西都變成超導(dǎo)體。那么,當(dāng)電流變化時(shí),不可避免產(chǎn)生壓降,因此,真正送到芯片電源管腳上的電壓會(huì)減小,有時(shí)減小得很厲害,就像電壓突然產(chǎn)生了塌陷,這就是軌道塌陷。軌道塌陷有時(shí)會(huì)產(chǎn)生致命的問(wèn)題,很可能影響你的電路板的功能。高性能處理器集成的門數(shù)越來(lái)越多,開(kāi)關(guān)速度也越來(lái)越快,在更短的時(shí)間內(nèi)消耗更多的開(kāi)關(guān)電流,可以容忍的噪聲變得越來(lái)越小。但同時(shí)控制噪聲越來(lái)越難,因?yàn)楦咝阅芴幚砥鲗?duì)電源系統(tǒng)的苛刻要求,構(gòu)建更低阻抗的電源分配系統(tǒng)變得越來(lái)越困難。你可能注意到了,又是阻抗,理解阻抗是理解信號(hào)完整性問(wèn)題的關(guān)鍵。
信號(hào)完整性問(wèn)題涉及面比較廣,這里只是簡(jiǎn)單介紹幾種現(xiàn)象,希望這篇文章能讓你對(duì)信號(hào)完整性有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。信號(hào)完整性,將是每個(gè)硬件工程師的必修課。早一天接觸,早一天受益。
-
阻抗匹配
+關(guān)注
關(guān)注
14文章
347瀏覽量
30699 -
信號(hào)完整性
+關(guān)注
關(guān)注
68文章
1388瀏覽量
95305 -
反射
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
67瀏覽量
15844
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論