于争博士讲解信号完整性七步全集

2022-02-28 00:37分类：电子元器件阅读：

　　信号完整性（一）：PCB布线半途溶性负荷反射面

　　许多情况下，PCB布线半途会历经过孔、测试用例焊层、短的stub线等，都存有分布电容，必定对数据信号产生危害。布线半途的电容器对讯号的危害要从发送端和接纳端2个层面剖析，对起始点和终点站都是有危害。

　　最先按看一下对数据信号发送端危害。当一个迅速提升的阶跃数据信号抵达电容器时，电容器快充，电流和数据信号工作电压升高速度相关，电流公式计算为：I=C*dV/dt。容量越大，电流越大，数据信号增益值越快，dt越小，一样使电流越大。

　　我们知道，数据信号的折射与数据信号感受到的特性阻抗转变相关，因而为了更好地剖析，大家看一下，电容器引发的特性阻抗转变。在电容器逐渐电池充电的前期，特性阻抗表明为：

　　这儿dV事实上是阶跃数据信号电流转变，dt为数据信号增益值，电容器特性阻抗公式计算变成：

　　从这一关系式中，我们可以获得一个很重要的信息内容，当阶跃数据信号增加到电容器两边的前期，电容器的特性阻抗与数据信号增益值和自身的容量相关。

　　一般在电容器电池充电前期，特性阻抗不大，低于布线的特性阻抗。数据信号在电容器处产生负反射面，这一负工作电压数据信号和原数据信号累加，促使发送端数据信号造成下冲，造成发送端数据信号的非单调性。

　　针对协调器，数据信号抵达协调器后，产生正反射面，反射面过来的数据信号抵达电容器部位，那一个样产生负反射面，反射面回协调器的负反射面工作电压一样使协调器数据信号造成下冲。

　　为了更好地使反射面噪音低于工作电压摆幅的5%（这类情形对数据信号危害能够忍受），特性阻抗转变务必低于10%。那麼电容器特性阻抗应当调节在是多少？电容器的特性阻抗主要表现为一个串联特性阻抗，大家可以用串联特性阻抗公式计算和透射系数公式计算来确认它的范畴。针对这类串联特性阻抗，大家期待电容器特性阻抗越大越好。假定电容器特性阻抗是PCB布线特性阻抗的k倍，依据串联特性阻抗公式计算获得电容器处数据信号感受到的特性阻抗为：

　　特性阻抗弹性系数为：

　　，即

　　，换句话说，依据这类梦想的测算，电容器的特性阻抗最少如果PCB特性阻抗的9倍之上。事实上，伴随着电容器的电池充电，电容器的特性阻抗持续提升，并没有一直维持最少特性阻抗，此外，每一个元器件还会继续有内寄生电感器，使特性阻抗提升。因而这一9倍限定能够放开。在下面的探讨中假定这一限定是5倍。

　　拥有特性阻抗的指标值，大家就可以明确能忍受多少的容量。电路板上50欧母特性阻抗很普遍，我便用50欧母来测算。

　　得到：

　　即在这样的情形下，假如数据信号增益值为1ns，那麼容量要低于4皮法。相反，假如容量为4皮法，则数据信号增益值更快为1ns，假如数据信号增益值为0.5ns，这一4皮法的电容器便会造成难题。

　　这儿的测算只不过为了更好地表明电容器的危害，具体线路中状况十分复杂，必须考量的要素大量，因而这儿测算是不是精准沒有现实意义。关键是要利用这类测算了解电容器是怎样危害数据信号的。大家对电路板上每一个要素的危害都是有一个理性认识后，就能为设计方案给予必需的具体指导，发生情况就晓得如何去剖析。精准的评定必须用系统来模拟仿真。

　　汇总：

　　1、PCB布线半途溶性负荷使发送端数据信号造成下冲，协调器数据信号也会造成下冲。

　　2、能忍受的容量和数据信号增益值相关，数据信号增益值越快，能忍受的容量越小。

　　信号完整性（二）：协调器溶性负荷的反射面

　　数据信号的协调器可能是集成化处理器的一个脚位，也可能是别的电子器件。无论协调器是啥，具体的电子元件的键入端必定存有分布电容，接纳讯号的集成ic脚位和邻近脚位中间有一定的分布电容，和脚位相互连接的处理器里面的走线也会具有分布电容，此外脚位和数据信号回到途径中间也会具有分布电容。

　　好繁杂，这么多分布电容！其实不是很难，想一想电容是什么？2个金属片，正中间是某类绝缘层物质。这一概念中并沒有说2个金属片是啥样式的，集成ic2个邻近脚位还可以看成是电阻的2个金属片，正中间物质是气体，不便是一个电容器么。集成ic脚位和PCB板里层的开关电源或地平面图也是一对金属片，正中间物质是PCB板的板才，普遍的是FR4原材料，也是一个电容器。呵呵呵，搞来搞去，或是返回了最根本的一部分。大神不要笑，太简洁了。但是的确很多人见到分布电容就觉得有点儿晕，了解不透，因此在这儿唠叨一下。

　　返回主题，下边科学研究一下数据信号终端设备的电容器有哪些危害。将模型简化，用一个公司分立电容器元器件替代全部分布电容，如图所示1所显示。

　　大家调查B点电容器的特性阻抗状况。电容器的工作电流为：

　　伴随着电容器的电池充电，工作电压弹性系数慢慢减少（电路图讲解中的暂态全过程），电容器的电流也持续减少。即电容器的电流是随时长变动的。

　　电容器的特性阻抗为：

　　因而电容器所呈现出來的特性阻抗随时长转变，并不是稳定的。恰好是这类特性阻抗的转变特点确定了电容器对数据信号危害的独特性。假如数据信号增益值低于电容器的电池充电時间，最开始电容器两边的工作电压快速升高，这时候特性阻抗不大。伴随着电容器电池充电，工作电压弹性系数降低，电流减少，主要表现为特性阻抗显著扩大。电池充电時间无穷时，电容器等同于引路，特性阻抗无穷。

　　特性阻抗的变动势必危害数据信号的反射面。在电池充电的逐渐一段时间，特性阻抗不大，低于同轴电缆的特性阻抗，将产生负反射面，反射面回源端A点的数据信号将造成下冲。伴随着电容器特性阻抗的提升，反射面慢慢衔接到正反射面，A点的数据信号历经一个下冲会慢慢上升，最后做到开路电压。

　　因而电容器负荷使源端数据信号造成部分工作电压凹痕。精准波型和同轴电缆的特性阻抗、容量、数据信号增益值相关。

　　针对协调器，很显著，便是一个RC电池充电电源电路，并不是很认真细致，可是和具体情况十分类似。电容器两直流电压，即B点工作电压随RC电池充电电源电路的稳态值呈指数值提升（基本上电路图讲解）。因而电容器对协调器数据信号增益值造成危害。

　　RC电池充电电源电路的稳态值为

　　这也是B点工作电压升高到工作电压终值的即37%需要的時间。B点工作电压10%~90%增益值为

　　假如同轴电缆特性阻抗为50欧姆，容量10pF，则10~90电池充电时长为1.1ns。假如数据信号增益值低于1.1ns，那麼B点工作电压增益值关键由电容器电池充电時间决策。假如数据信号增益值超过1.1ns，尾端电力电容器功效是使增益值进一步增加，提升约1.1ns（具体应该比这一值小）。图2表明了终端设备电容器负荷对推动端和接纳端造成直接影响的平面图，放到这儿，让各位能有一个理性的了解。

　　对于数据信号增益值提升的准确值多少钱，针对电路原理而言没必要，只需判定的剖析，有一个大概的估计就可以了。由于测算再精准也没现实意义，线路板的主要参数都不精准！针对设计师而言，定性研究并掌握危害，大概估计出危害在那一个数量级，能给电路原理给予具体指导就可以了，别的的事手机软件来做吧。举个事例，假如数据信号增益值 1ns，电容器使数据信号增益值提升远低于1ns，例如0.2 ns，那麼那么一点点提升很有可能不可能有哪些危害。假如电容器引起的增益值提升许多，那很有可能便会对电源电路时钟频率造成危害。那麼是多少算许多？看一下电源电路的时钟频率容量吧，这牵涉到电源电路的时序图研究和时钟频率设计方案。

　　总而言之协调器电容器负荷的不良影响有二点：

　　1、使源端（推动端）数据信号造成部分工作电压凹痕。

　　2、协调器数据信号增益值增加。

　　在控制电路中这两个方面都需要考虑到。

　　信号完整性（三）：PCB布线总宽转变造成的反射面

　　在开展PCB走线时，常常会出现那样的状况：布线根据某一地区时，因为该地区走线室内空间比较有限，迫不得已应用更细的线框，根据这一地区后，线框再修复原先的总宽。布线总宽转变会导致特性阻抗转变，因而产生反射面，对数据信号造成危害。那麼什么情况能够忽视这一危害，又在什么情况大家务必考虑到它的危害？

　　有三个要素和这一危害相关：特性阻抗转变的尺寸、数据信号增益值、窄线框上数据信号的延迟。

　　最先探讨特性阻抗转变的尺寸。许多电源电路的制定规定反射面噪音低于工作电压摆幅的5%（这和数据信号上的噪音费用预算相关），依据透射系数公式计算：

以测算出特性阻抗大概的弹性系数规定为：

　　你也许了解，电路板上特性阻抗的典型性指标值为 /-10%，直接原因就在这里。

　　假如特性阻抗转变只产生一次，比如图形界限从8mil变成6mil后，一直维持6mil总宽这类状况，要做到基因突变处数据信号反射面噪音不超过工作电压摆幅的5%这一噪音费用预算规定，特性阻抗转变务必低于10%。这有时候难以保证，以 FR4板才上微带线的具体情况为例子，大家测算一下。假如图形界限8mil，线框和参照平面图中间的壁厚为4mil，特性阻抗为46.5欧母。图形界限转变到6mil后特性阻抗变为54.2欧母，特性阻抗弹性系数做到了20%。反射面数据信号的力度必定超标准。对于对数据信号导致很大危害，还和数据信号增益值和推动端到反射面点处数据信号的延迟相关。但最少这是一个潜在性的情况点。幸运的是这时候还可以根据匹配电阻线接解决困难。

　　假如特性阻抗转变产生2次，比如图形界限从8mil变成6mil 后，拖出2cm后又变成8mil。那麼在2cm长6mil宽线框的2个节点处都是会产生反射面，一次是特性阻抗增大，产生正反射面，然后特性阻抗缩小，产生负反射面。假如2次反射面时间间隔充足短，2次反射面就会有很有可能互相相抵，进而减少危害。假定传送数据信号为1V，第一次正反射面有0.2V被反射面，1.2V再次往前传送，第二次反射面有 -0.2*1.2 = 0.24v被反射面回。再假定6mil线长短非常短，2次反射面基本上一起产生，那麼总的反射面工作电压仅有0.04V，低于5%这一噪音费用预算规定。因而，这类反射面是不是危害数据信号，有多大危害，和特性阻抗转变处的延迟及其数据信号增益值相关。科学研究及试验说明，只需特性阻抗转变处的延迟低于数据信号增益值的20%，反射面数据信号就不容易导致难题。假如数据信号增益值为1ns，那麼特性阻抗转变处的延迟低于0.2ns相匹配1.2英尺，反射面就不容易发生难题。换句话说，针对本例状况，6mil宽布线的长短只需低于3cm就不容易有什么问题。

　　当PCB布线图形界限产生变化时，要依据具体情况具体分析，是不是产生危害。必须特别关注的主要参数由三个：特性阻抗转变有多大、数据信号增益值多少钱、图形界限转变的颈状一部分有多久。依据以上的办法大概估计一下，适度空出一定的容量。假如有可能得话，尽可能让减少颈状一部分长短。

　　必须强调的是，具体的PCB生产加工中，主要参数不太可能像基础理论中那般精准，基础理论能对咱们的制定给予具体指导，但无法生搬硬套照搬，不可以教条主义，终究这也是一门实践活动的科学研究。估计出的值能依据具体情况做恰当的修定，再运用到设计方案中。假如觉得缺乏经验，那么就先传统点，随后在依据制造成本适度调节。

信号完整性（四）：数据信号振铃是怎么造成的

数据信号的反射面很有可能会造成振铃状况，一个非常典型的数据信号振铃如图所示1所显示。

　　那麼数据信号振铃是怎么造成的呢？

　　前边讲过，假如数据信号传递流程中感受到特性阻抗的转变，便会产生数据信号的反射面。这一数据信号可能是推动端发送的数据信号，也可能是远侧反射面过来的反射面数据信号。依据透射系数的公式计算，当数据信号感受到特性阻抗缩小，便会产生负反射面，反射面的负工作电压会使数据信号造成下冲。数据信号在推动端和远侧负荷中间数次反射面，其结论便是数据信号振铃。大部分集成ic的输出阻抗都很低，假如输出阻抗低于PCB布线的特性阻抗，那麼在沒有源端线接的情形下，必定造成数据信号振铃。

　　数据信号振铃的全过程可以用反跳图来直接的表述。假定推动端输出阻抗是10欧母，PCB布线的特性阻抗为50欧母（能够利用更改PCB布线总宽，PCB布线和里层参照平面图间物质薄厚来调节），为了更好地剖析便捷，假定远侧引路，即远侧特性阻抗无穷。推动端传送3.3V工作电压数据信号。大家跟随数据信号在这里条同轴电缆中跑一次，看一下究竟发生什么事？为剖析便捷，忽视同轴电缆分布电容和内寄生电感器的危害，只考虑到感性负载负荷。图2为反射面平面图。

　　第1次反射面：数据信号从集成ic內部传出，历经10欧姆输出阻抗和50欧姆 PCB特性阻抗的分压电路，具体加进PCB走网上的数据信号为A点工作电压3.3*50/（10 50）=2.75V。传送到远侧B点，因为B点引路，特性阻抗无穷，透射系数为1，即数据信号所有反射面，反射面数据信号也是2.75V。这时B点精确测量工作电压是2.75 2.75=5.5V。

　　第2次反射面：2.75V反射面工作电压返回A点，特性阻抗由50欧姆变成10欧姆，产生负反射面，A点反射面电流为-1.83V，该工作电压抵达B点，再次出现反射面，反射面工作电压-1.83V。这时B点精确测量工作电压为5.5-1.83-1.83=1.84V。

　　第3次反射面：从B点反射面回的-1.83V工作电压抵达A点，再次出现负反射面，反射面电流为1.22V。该工作电压抵达B点再次出现正反射面，反射面工作电压1.22V。这时B点精确测量工作电压为1.84 1.22 1.22=4.28V。

　　第4次反射面：。。。。。。。。。第5次反射面：。。。。。。。。。

　　这般循环系统，反射面工作电压在A点和B点中间往返反跳，而造成B点工作电压不稳定。观查B点工作电压：5.5V-》1.84V-》4.28V-》……，由此可见B点工作电压会出现左右起伏，这就是数据信号振铃。

　　数据信号振铃直接原因是负反射面造成的，其元凶依然是特性阻抗转变，也是特性阻抗！在科学研究信号完整性难题时，一定时刻留意特性阻抗难题。

　　负荷端数据信号振铃会比较严重电磁干扰的接纳，造成逻辑错误，务必减少或清除，因而针对长的同轴电缆务必开展匹配电阻线接。

信号完整性（五）：数据信号反射面

数据信号沿同轴电缆往前散播时，时时刻刻都是会感受到一个暂态特性阻抗，这一特性阻抗可能是同轴电缆自身的，也可能是半途或尾端别的部件的。针对数据信号而言，它不容易区别究竟是什么，数据信号所想遭到的仅有特性阻抗。假如数据信号感受到的特性阻抗是不变的，那麼他便会一切正常往前散播，只需感受到的特性阻抗产生变化，无论是哪些导致的（可能是半途碰到的电阻器，电容器，电感器，过孔，PCB拐角，连接器），数据信号都是会产生反射面。

　　那麼有多少被反射面回同轴电缆的起始点？考量数据信号反射面量的主要标准是透射系数，表明反射面工作电压和原传送数据信号工作电压的比率。透射系数界定为：

　　在其中：Z1为转变前的特性阻抗，Z2为转变后的特性阻抗。假定PCB线框的特性阻抗为50欧姆，传送流程中碰到一个100欧姆的电阻，临时不考虑到分布电容电感器的危害，把电阻器当做理想化的纯电阻，那麼透射系数为：

　　数据信号有1/3被反射面回源端。假如传送数据信号的电

　　压是3.3V工作电压，反射面工作电压就是1.1V。

　　纯电阻性负荷的反射面是科学研究反射面状况的基本，感性负载负荷的转变只不过是下列四种状况：特性阻抗提升比较有限值、减少比较有限值、引路（特性阻抗变成无穷）、短路故障（特性阻抗忽然变成0）。

　　特性阻抗提升比较有限值：

　　反射面工作电压上边的事例早已测算过去了。这时候，数据信号反射面点处便会有两个工作电压成份，一部分是以源端传出的3.3V工作电压，另一部分是在反射面工作电压1.1V，那麼反射面点处的工作电压为二者之和，即4.4V。

　　特性阻抗减少比较有限值：

　　仍按上边的事例，PCB线框的特性阻抗为50欧姆，假如碰到的电阻器是30欧姆，则透射系数为

　　透射系数为负数，表明反射面电流为

　　这时反射面点工作电压为3.3V （-0.825V）=2.475V。

　　引路：

　　引路等同于特性阻抗无穷，透射系数按计算公式为1。即反射面工作电压3.3V。反射面点处工作电压为6.6V。由此可见，在这个恶劣状况下，反射面点处工作电压翻番了。

　　短路故障：

　　短路故障时特性阻抗为0，工作电压一定为0。按计算公式透射系数为-1，表明反射面电流为-3.3V，因而反射面点工作电压为0。

　　测算比较简单，关键的是务必了解，因为反射面状况的存有，数据信号散播途径中特性阻抗产生变化的点，其工作电压不会再是原先传送的工作电压。这类反射面工作电压会更改数据信号的波型，进而有可能会引发信号完整性难题。这类理性的了解对科学研究信号完整性及设计电路板十分关键，务必在思维中构建起这一定义。

　　信号完整性（六）：多久的布线才算是同轴电缆

　　多久的布线才算是同轴电缆？

　　这和数据信号的快速传播相关，在FR4板才上铜线框中数据信号速率为6in/ns。简易的说，只需数据信号在走网上的来回時间超过数据信号的增益值，PCB上的布线就理应做同轴电缆来解决。

　　大家看数据信号在一段长走网上散播的时候会产生什么原因。假定有一段60英寸长的PCB布线，如图所示1所显示，回到途径是PCB板里层挨近电源线的地平面图，电源线和地平面图间在远侧引路。

图1

　　数据信号在这里条走网上往前散播，传送到布线终点必须10ns，回到到源端又必须10ns，则总的来回时间20ns。假如把上边的数据信号来回途径当做平常的交流电控制回路得话，回到途径上应当沒有电流量，由于在远侧是短路的。但真实情况却不是这样，回到途径在数据信号之后最开始的一段时间有电流量。

　　在这里段走网上加一个增益值为1ns的数据信号，在最开始的1ns时间，数据信号还线框上只离开了6英寸，不清楚远侧是引路或是短路故障，那麼数据信号觉得到的特性阻抗有多大，如何明确？假如把数据信号来回途径当做平常的交流电控制回路得话便会发生争执，因此，务必按同轴电缆解决。

　　事实上，在数据信号线框和回到地平面图间存有分布电容，如图2所显示。当数据信号往前散播环节中，A点处工作电压持续不转变，针对分布电容而言，转变的工作电压代表着造成电流量，方位如图所示中斜线所显示。因而数据信号感受到的特性阻抗便是电容器展现出來的特性阻抗，分布电容组成了电流量流回的途径。数据信号在往前散播所通过的每一点都是会感受到一个特性阻抗，这一特性阻抗是转变的工作电压增加到分布电容上形成的，一般称为同轴电缆的暂态特性阻抗。

图2