硬件学习系列——设计之中——1信号完整性相关再学习

信号的时域和频域：

信号完整性的研究主要从  信号的时域和频域去研究。

其中：傅里叶变化 ： 将信号从时域变换为频域

         傅里叶逆变换：将信号从频域变换为时域

常用的傅里叶变换：傅里叶积分    离散傅里叶变换

时域  直观  时间和信号波形   但难以发现和解决问题。

频域  容易定位 解决问题  但其无明显指标咳参考

 

信号带宽：

把一个信号所包含谐波的最高频率与最低频率之差，即该信号所拥有的频率范围，定义为该信号的带宽。因此可以说，信号的频率变化范围越大，信号的带宽就越宽。

3dB带宽  ：3dB带宽通常指功率谱密度的最高点下降到1/2时界定的频率范围。

 

 

信号的串扰：

由信号线之间的互感和互容耦合引起：

需理解信号回流的情况：   

                                      低频时，电流沿电阻最小路径回流；

                                      高频时，电流沿电感最小路径回流。

高频情况下，回流电路沿着信号路径下方的参考平面层流回信号源，即便存在更短的回流路径。

 

如下图所示：

1、图1、互容耦合 ： 两条彼此靠近的线之间产生寄生电容   （加大间距 减少平行布线 中加地线）

A线电压变化(dV/dt)  在邻近B线产生耦合电流，如邻近线阻抗高，则该电流转化为电压。

2、图2、互感耦合：两条彼此靠近的线会产生寄生电感（类似于变压器的互感） 

A线电流变化(dI/dt)  会在A线上产生电压变化，并由于互感存在，在邻近的B线上产生成比例电流

 

PCB设计中很容易形成可能产生问题的两种基本寄生元件：寄生电容和寄生电感。设计电路板时，放置两条彼此靠近的走线就会产生寄生电容。可以这样做：在不同的两层，将一条走线放置在另一条走线的上方；或者在同一层，将一条走线放置在另一条走线的旁边，如图1所示。在这两种走线配置中，一条走线上电压随时间的变化(dV/dt)可能在另一条走线上产生电流。如果另一条走线是高阻抗的，电场产生的电流将转化为电压。

　　快速电压瞬变最常发生在模拟信号设计的数字侧。如果发生快速电压瞬变的走线靠近高阻抗模拟走线，这种误差将严重影响模拟电路的精度。在这种环境中，模拟电路有两个不利的方面：其噪声容限比数字电路低得多；高阻抗走线比较常见。

　　电路板中寄生电感产生的原理与寄生电容形成的原理类似。也是布两条走线，在不同的两层，将一条走线放置在另一条走线的上方；或者在同一层，将一条走线放置在另一条的旁边，如图2所示。在这两种走线配置中，一条走线上电流随时间的变化(dI/dt)，由于这条走线的感抗，会在同一条走线上产生电压；并由于互感的存在，会在另一条走线上产生成比例的电流。如果在第一条走线上的电压变化足够大，干扰可能会降低数字电路的电压容限而产生误差。并不只是在数字电路中才会发生这种现象，但这种现象在数字电路中比较常见，因为数字电路中存在较大的瞬时开关电流。

　　为消除电磁干扰源的潜在噪声，最好将“安静”的模拟线路和噪声I/O端口分开。要设法实现低阻抗的电源和地网络，应尽量减小数字电路导线的感抗，尽量降低模拟电路的电容耦合。

 

减少串扰：

1、增大走线间距；

2、尽量减少平行布线长度；

3、做好匹配端接，减小串扰噪声的反射；

4、响铃的信号层，走线彼此正交；

5、在内层布线，以消除远端串扰；

6、在满足时序要求的前提下，增大信号的上升时间；

7、个别特殊信号（低频模拟信号  易受干扰信号）可使用保护地线。

8、高速数字信号，谨慎使用保护地线。

9、阻抗控制情况下，使用小介电常数的板材。

10、使信号线有一个良好的返回路径，降低返回路径的感抗，从而降低信号的波动，减弱信号对外的干扰强度。

 

 

信号完整性中的时序设计

对数据进行采样的过程中应尽可能的远离信号变化的边沿，信号的边沿往往是信号频谱最高，最容易受干扰的地方。  因此有建立时间和保持时间的概念。

如图所示：当数据信号DATA发生变化后，需要等待至少Tsu的建立时间才能被采样，采样之后，相对于采样点，数据需要保持至少Th时间才能建立。如果数据的建立时间和保持时间满足不了，就无法实现对数据的有效接收。

信号的时序设计，应确保有足够的   建立时间   和   保持时间 ，确保数据正常采集。

源同步系统 时钟来自于  Master；和    共同时钟系统  时钟来自于外部共同时钟

 

共同时钟系统对系统运行的最高频率的时钟有限制。

主要讨论和使用源同步系统，如SDRAM   DDRX中用的多。

 

在轻负载的情况下，如单负载的情况下，驱动端的上升沿和接收端的上升沿相差不大；

但如果在重负载的情况下（如多负载），接收端的上升沿明显变换，这时进行时序分析的时候要特别注意。

 

源同步时钟系统，数据和源同步时钟信号是同步传输的，在设计中保证这两个信号的飞行时间完全一致，这样只要发送端的时序正确，则在接收端也能得到完全正确的时序。

 

PCB走线中的蛇形走线，即是为了满足采样的时钟信号和数据信号之间的时序控制要求。尽量使 信号能够在数据信号的中央部分读取。