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


; P& K; r2 y2 {* g' X$ ?. K8 u9 _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。

% D7 ]( B  w+ _/ a  n0 S2 a  o; N( R% P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：


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）；

2、形成干扰源， 对其它器件造成串扰；

: F) ~2 v) U8 o3、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。

产生原因：
0 M- z; _$ l- I1、 其它相邻信号串扰
% {' l3 V* Y# d1 o% o
2 \! p* ?5 P* O8 Y2、 器件驱动能力太强

* M; U4 y: I* o4 F; ]5 P3、 没有匹配或者匹配不当

解决方法：
" C; U/ r1 w3 Y1、 PCB布线避开干扰源和耦合路径；
0 s. F4 V4 v( [" B' e2 r
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；

* g/ r, z$ @" t: z; }1 O, m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。


  ^$ N* [/ ?& c# R* y
0 J  R! Q9 N. u+ F, S
二、毛刺（噪声）
. R( ]- Z3 t$ o$ \, X& t, u如下图所示，这是毛刺的常见波形图：
* M/ I. R6 m- f4 t0 d+ n6 Z4 t2 A
危害：
% K% e5 B; {8 {+ P( P7 E' y容易造成控制信号控制错误或时钟信号相位发生错误：

4 T1 P* k" s  b* t) u' B& k6 V1、数据线上的毛刺如果被采样到，可能造成判断结果错误；

; ]5 S4 r, h3 }% X" v! Z# U8 f! p2、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）。
6 L) R5 D- g0 o! k
3 v/ K8 H: w6 K, w* I* `产生原因：
" b4 q. I& B: c/ U/ C" J, l2 p1、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）；

9 t5 }5 B% d! r2 z" r' ^2、外界干扰，如地线噪声等；
+ `& H, e& F* S7 C- z
3、逻辑出现竞争、冒险。

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。
( `: Y' o1 _; [% u. `! W, N8 A
7 ^- `' z9 k+ M* k6 R' I+ Y解决方法：
1、控制器件布局和PCB走线，信号远离干扰源；

( ^& t! x# t- x+ O! S2 c2 `2、添加去耦电容或输出滤波等，滤波器件尽量靠近信号管脚；

2 z& o! n7 I, t1 @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。
# m+ n! n- W$ m" K% w  R, o4 R
三、回勾（台阶）
如下图所示，这是回沟、台阶的常见波形图：


& s5 X; k/ O# F1 l; \& g, h* m/ _危害：
1、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；

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；
, |" k% I, ?1 w6 b6 I0 a
7 T( l! n' z- P- T3 T( r" n3 M3、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）。
" b. a# d) q- ^+ X/ i
产生原因：
  ~! c$ U' _/ u9 S/ @匹配不当， 信号放射回来形成回勾。
6 @9 C4 w2 t- s/ ~6 o3 v
* q# E* y7 B4 V# H% x解决方法：
! q# s- o; ]4 U0 P- u增加合适的匹配电阻。
$ j8 j' }0 N! \3 K" @" Z9 ~+ m. \
& L  f4 o. T9 |. `# w8 V& Y四、信号边沿缓慢
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。

# W4 u& ~' d1 d- L1 ~如下图所示，这是振荡的常见波形图：

; x% [  \" d, m) N+ \( W& N危害：
* `  B* ~" T- i9 u/ {! {* ?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。
1 S2 E1 k8 n* e5 h" ~$ u  U  t+ R
产生原因：
驱动能力不够，或者负载过大（例如链路阻抗太大）。
6 \* ^4 E9 B! L! L/ W" C
/ ?& U' \0 a  X7 L  X0 l+ p解决方法：
1、提高驱动能力
" V8 d1 {2 W) q- |
2、减小负载

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