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影响信号完整性的7大原因,你“中枪”了哪个?

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影响1:线电阻的电压降——地电平(0电平)直流引起的低电平提高

如下图所示,虚线为提高的情况。


提高幅度与IC的功耗大小、IC密度、馈电方式、地线电阻(R)、馈电的地线总电流有关。

ΔV地=ΔI×ΔR

影响2:信号线电阻的电压降

一是,IC输出管脚经过印制导线或电缆到另一个IC的输入脚,输出低电平电流在印制导线或电缆电阻上引起一个低电平的抬高,其值为ΔVOL=IOL×R,如下图的上面一条虚线:


显而易见,低电平的抬高与印制导线电阻值及输出低电平电流有关,如下图所示:

(B点的低电平比A点的低电平要高)

需要注意的是,当IC输出脚为低电平时,如果此器件不是驱动器,而是一般器件,则由于输出低电平电流太大,远大于器件手册给出的值,输出三极管将退出饱和区,进入工作区,使输出低电平抬高很多,如下图的上面一条虚线:


二是,IC输出管脚经过印制导线或电缆到另一个IC的输入脚,输出高电平电流在印制导线或电缆电阻上引起一个高电平的降低,其值为ΔVOH=IOH×R,如下图的下面一条虚线:


决定IOH的因素包括:端接方式、端接电平、端接电阻大小。

决定R的因素包括:线宽、线厚、线长。

显而易见,高电平的降低与印制导线或电缆电阻值及输出高电平电流有关,如下图所示:

(B点的高电平比A点的高电平要低)

需要注意的是,当IC输出脚为高电平时,如果此器件不是驱动器,而是一般器件,则由于输出高电平电流太大,远大于器件手册给出的值时,输出管也会退出饱和区,进入工作区,使输出高电平降低很多,如下图的下面一条虚线:


影响3:电源线电阻的电压降

以IC的电源电压(如+3.3V)为例,如果系统中存在差值,当小于+3.3V时,输出高电平将产生一个下降值,如下图的上面一条虚线:


由于系统电源有集中电源和分散电源模块之分,此差值不同,由于IC功耗的大小、IC密度、馈电方式、电源线的馈电电阻值,以及电源电流值,引起一个ΔVCC(ΔVCC=ΔI×ΔR)。

以上原因,使得TTL信号波形变得离理想波形很远。低电平大为提高了,高电平也大为降低了。对于这些值,若不严加控制,对系统工作的稳定与可靠是十分不利的。

此外,结温差,即不同功耗的器件的P-N结的温度不同,还会影响高低电平及门槛电平的变化,同时也会影响系统工作。

除了上面所说的直流成分之外,更为重要的是,系统是以极高频率在工作。也就是说,系统内的器件、导线有各种频率的,各种转换速率的信号在动作、传递。首先是相互之间的信号电磁藕合(串扰)和信号在不同特性阻抗传输路径上的反射,以及电源、地电平由于IC高频转换引起电流尖峰电平,使得TTL信号波形变得更坏。

影响4:转换噪声

由于系统工作时,器件以高频转换,造成了供电系统上有高频率变化的电流尖峰,而供电的电源线路和地线路都可看成是很小的电阻、电感、电容元件。电流尖峰值太大,在它们上面会产生较大的交流尖峰电压,其电源上的尖峰电压基本上会串扰到高电平上,而地电平上的尖峰电压会串扰到低电平上,如下图所示:


其实,IC内部同样存在这种尖峰电压。

影响5:串扰噪声

由于系统组装越来越密,印制导线之间的距离越来越近,邻近导线上有高速转换的电平信号。如正跳变信号跳变的时间tr和负跳变的时间tf都很小,使得导线上已有信号上叠加一个较大的电磁藕合信号(串扰信号),如下图的尖峰信号:


这些信号还包括插头座上的信号针之间的串扰信号,以及电缆中信号之间的串扰。

决定因素主要包括:tr与tf值、线宽、线间距、(基材)介质的厚度、介质的介电常数、平行线长、重叠线长、插头座信号针地针比、电缆信号线地线比。

影响6:反射噪声

如果IC之间的互连线比较长 (复杂系统往往是这样) ,线的特性阻抗又不均匀,或者终端没有匹配,就会引起反射。如果始端也不匹配, 则会来回反射而造成振铃,如下图所示:


决定因素主要包括:特性阻抗、匹配方式、失配大小、终端反射系数、始端反射系数、线长。

影响7:边沿畸变

如果信号频率升高到一定程度,也就是器件工作频率达到一定的高度极限,而且印制导线又较长或者负载电容较大时,tr≥tw上升时间等于或大于脉冲宽度,信号畸变到没有高低电平平顶或者远离平顶,如下图的实线:


同样,举例“仿真或示波器实测”均可验证。

决定因素主要包括:线宽、线长、基材介质厚度、介质介电常数、负载数、工作频率(脉宽)、tr数字信号的变化。

通过讨论上面7条影响,可见其畸变不容忽视。如果任其自流,不严加限制,造出来的系统不可能稳定、可靠的工作。

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