常见信号质量问题、危害及解决方法

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常见信号质量问题、危害及解决方法
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- {0 m0 n8 ^" }7 F, Y5 T概述：在电路设计中，“信号”始终是工程师无法绕开的一个知识点。不管是在设计之初，还是在测试环节中，信号质量问题都值得关注。
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% ]/ Y% x3 R9 ]* k本文主要介绍了信号相关的四类问题：信号过冲、毛刺（噪声）、回沟（台阶）、信号边沿缓慢。
一、信号过冲
如下图所示，这是信号过冲的常见波形图：
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危害：
1、超过正常供电范围，会产生闩锁效应（现在由于厂家工艺改进， 闩锁问题基本上可以得到规避。但是长时间的信号过冲会使得器件失效率增加）；

/ d( D/ M0 Z+ S+ f6 \2、形成干扰源， 对其它器件造成串扰；
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3、管脚上的负电压可能使器件PN衬底（ 寄生二极管） 前向偏置，流过的大电流过大时，熔断键丝产生开路。
  U. a' c# s& t, D. j
  \. q: x4 z. w0 w4 J产生原因：
6 G2 Q+ O, h$ B9 k) H4 ~1、 其它相邻信号串扰
) V3 e6 K( y! p6 [( {, X
2、 器件驱动能力太强
9 z% }5 Z1 m; k& a, Z
& `% w( a3 }4 |. [3、 没有匹配或者匹配不当

解决方法：
/ o- r4 Y1 Z, P9 }' I1、 PCB布线避开干扰源和耦合路径；

2、 增加电阻匹配，参考做法是源端串电阻或者末端并电阻，减 少过冲；

如下图是不同匹配电阻下同一信号的上升沿波形，可以看出，通过调节源端匹配电阻，可以减缓信号上升沿。

' p8 h( S8 k. T  J! C+ J" ~

4 T4 S4 H  b! m( _% }' D  n$ E$ |3 b! {
二、毛刺（噪声）
如下图所示，这是毛刺的常见波形图：
3 h+ E3 K/ R1 P& z6 _3 l# c/ S& v5 `
危害：
  W5 R- ]: t; |; \& v- |6 l9 g3 x容易造成控制信号控制错误或时钟信号相位发生错误：

1、数据线上的毛刺如果被采样到，可能造成判断结果错误；

2、边沿触发的器件中，时钟线上的毛刺可能会使得采样到多余的数据 （相当于多了一拍时钟）。

, ~  j- L; L: `" ~( ]产生原因：
' u- o. l0 q2 O* W  V: U; _  ~1、PCB走线串扰（例如数据线和时钟线并行走线较长，信号线放置在晶振等干扰源附近）；
/ r7 k$ a4 H+ h# S% k
2、外界干扰，如地线噪声等；

3、逻辑出现竞争、冒险。

. t* m/ p; i0 H6 ]  L注：两个输入信号同时向相反方向的逻辑电平跳变的现象（即一个由1---> 0， 另一个从0 ---> 1），称为竞争。因竞争导致在输出端可能产生尖峰脉冲的现象，称为冒险。

解决方法：
8 x, g# i) V3 B; W1、控制器件布局和PCB走线，信号远离干扰源；
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; t5 X, B+ {% f* E8 @6 X2、添加去耦电容或输出滤波等，滤波器件尽量靠近信号管脚；

3、逻辑设计中添加冗余项，或者采用同步逻辑设计，避免竞争冒险。

三、回勾（台阶）
5 y2 |5 r1 _7 N% n& W如下图所示，这是回沟、台阶的常见波形图：

7 e) Y: C" Q) c- p' V( M
8 e) p# m  W+ D* x3 A9 e, ~5 S, h危害：
3 x! }9 l3 Y, B+ }  ?& [; J1、主要是时钟类信号上的回勾有危害， 可能会使得采样到多余的数据（相当于多了一拍时钟），影响了时钟信号上升沿和下降沿的单调性；
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2、对于电源信号，上电边沿的回勾可能导致系统死机，需要结合复位信号判断是否可以接受；

9 p+ T; T2 s5 R$ R/ {3、数据信号由于一般是在数据的中间采样，回勾的影响不是很大（除非速率很高，建立保持时间1～2ns，这时需要考虑回勾对数据的影响）。

7 A9 r4 t# ~' A) ]4 g产生原因：
匹配不当， 信号放射回来形成回勾。

7 }0 @# L- w4 T解决方法：
# u0 [& ]) I0 k9 [& T( _增加合适的匹配电阻。

四、信号边沿缓慢
$ {$ z$ h/ ?3 s( Z, K% R! M- u由于驱动不足或者负载过大，信号边沿缓慢常常伴随着信号幅度较低现象。
1 N, h2 S% D( n. i, A; E6 A
如下图所示，这是振荡的常见波形图：
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危害：
$ ^5 T; N) x  i6 A上升、下降沿缓慢发生在数据信号线上（串口信号线，HW信号线等）时，会造成数据采样错误。
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- w. ^/ b- ?7 q6 W* e8 [产生原因：
$ \2 h5 d; l1 Y" A4 q3 D0 H驱动能力不够，或者负载过大（例如链路阻抗太大）。
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解决方法：
1、提高驱动能力

2、减小负载

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