AD学习笔记第四章
来源:PN学堂
4-1 初识信号完整性
信号完整性范围
①一般而言,对于10MHz,上升沿10ns的信号,普通的传输线基本不需要特别考虑信号完整性,但仍建立按照基本规则去做布局。
②但是对于100MHz,上升沿达到1ns级别的信号,信号完整性就会变得很重要。
③信号完整性主要研究高速数字信号的传输问题。
信号完整性的三大问题
①时序问题:传输线的时延、门极电路翻转时间等,不是重点问题;
②噪声问题:振铃、反射、串扰、衰减(传输线需要考虑阻抗匹配)等等,信号完整性重点领域;
如下图所示,传输线过细、过宽都会导致信号的传输发生衰减,传输线过细阻抗Z就会偏大,影响信号的正常传递,传输线过粗会和绝缘介质下面的铜皮形成电容,高频交流电容会直接从电容路径被泄放。
③电磁干扰:与噪声问题高度耦合。
信号完整性的噪声问题分类
①单一网络的信号完整性:单根传输线阻抗突变,导致的信号反射和失真
②两个或多个网络间的串扰:两个不同功能的传输线距离太近,通过耦合电容或电感发生串扰
③电源和地分配中的轨道塌陷:电源路径阻抗过大,导致电流突变时产生压降
④系统级的电磁干扰和辐射EMI:信号返回路径不理想,发生电磁辐射;外界电磁辐射耦合
单一网络信号完整性
①振铃,衰减、过冲等等
②不止优化去的路径,也要优化回的路径,尽量使用完整(地)平面作为返回路径
③控制传输线阻抗,并且使用合适的串联电阻,抑制振铃
④尽量缩短信号路径(八分之一波长以内)
串扰
①一个信号线(动态线)的信号耦合到另一个信号线(静态线)上;动态线可能信号质量很高
②返回路径为均匀平面是限制串扰的基础,否则容易发生串扰
③多个信号的返回路径是同一个引脚或者同一个过孔,或者同一个细导线,容易发生串扰
④使用介电常数小的材料可以减少串扰
⑤提高布线间距,减少平行走线长度
⑥尽量使用短的走线
⑦串扰常常发生在电平状态切换时
轨道塌陷
①电流突然变化时,在电源路径和地路径间的阻抗上产生的压降,供给芯片的电压减小
②使用足够的去耦电容和小介电常数的板材
EMI
①与空间中的电磁波发生耦合,或者板上某个走线向空间中辐射电磁波
②需要明确三个问题,噪声源、传播路径和天线
③增加去耦电容也可以减小EMI问题
④可以把电路加上屏蔽壳
⑤传输线上增加铁氧体
4-2 阻抗基础
阻抗的重要性
①阻抗是解决信号完整性问题的核心
②阻抗突变,导致信号反射
③串并联阻抗问题,导致衰减
④相邻信号线间的阻抗,决定了发生串扰的强度
⑤电源和地之间的阻抗,影响轨道塌陷
⑥电缆对共模信号的阻抗,影响通过电缆的EMI辐射强度
阻抗的最基本公式
①阻抗的核心公式:Z=U/I
②Z表示阻抗,单位为Ω
③U表示器件两端的电压,单位为V
④|表示流经器件的电流,单位为A
⑤实际的阻抗可以抽象为理想电阻器、理想电感器、理想电容器和理想传输线的各种组合
阻抗-理想电阻(时域)
①理想电阻两端电压 U=I*R;
②两端电流和电压同相位;
③带入阻抗公式 Z=U/I,即得Z=R;
④理想电阻的阻抗等于其阻值。
阻抗-理想电容(时域)
①电容只有当两端电压变化时才会有电流通过,俗称“通交隔直”;
②反应“变化”的数学工具是求导数;
③理想电容容值的定义表达式为C=Q/U,即固定电压下存储电荷的能力;
④C为电容值,单位是F,反应电阻器的实际物理特性,对于特定电容器是一个常数,和时间无关;
⑤U表示两个极板间的电压值,单位是V;
⑥Q表示存储的电荷,单位为C;
⑦高压小容值和低压大容值可能存储相同数量的电荷。
阻抗-理想电感(时域)
①电感量L的定义需要用到磁通的概念,较复杂,一般只掌握电感的行为公式,对电流的阻碍作用;
②V代表电感两端电压,L代表电感值,I代表流过电感的电流。
阻抗-频域汇总
由公式可知,随着频率的增高,电感对阻抗的影响权重会上升,而电容的影响权重则会下降。
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