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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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。

1 P( D) }1 M5 O1 E5 |5 D. E# D, H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
$ G0 [0 |9 _, j6 K1 t如下图所示，这是信号过冲的常见波形图：

# S% e' z6 n9 ~: h7 J  R
9 e; w$ M( @9 ~6 X% A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；

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。
; b( N3 |" j4 U; X/ T0 p. X
产生原因：
6 y5 K5 [5 ?( G# K! g+ }1、 其它相邻信号串扰

9 ^: f4 i3 L2 i4 z* A% {2、 器件驱动能力太强

  K. z1 Z6 d2 d! ~' |; A( K0 x2 d3、 没有匹配或者匹配不当

解决方法：
) Z  u8 V. Y4 A3 H1、 PCB布线避开干扰源和耦合路径；

% W5 i3 W1 ~! Q: ~# i1 \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；

5 Z5 E* t' S5 Y) B' y" o9 K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。
" A; f" V5 b/ F5 B; Z3 s


/ V, m$ Q+ _. A5 M; _, |8 }
) _; k: j1 ^! P4 S; z* O) o二、毛刺（噪声）
如下图所示，这是毛刺的常见波形图：
5 w2 e5 c6 j; N; ~6 v! U
+ U4 m: U8 U) r/ t& J7 i+ \- Y: u危害：
8 U; h3 [- K, ]6 \/ M, s容易造成控制信号控制错误或时钟信号相位发生错误：
2 R4 g7 i: d: R) y
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）。
7 ]# K0 m5 X1 H3 c+ @: K
* U/ B8 r: D& b! d( O- Q' {产生原因：
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）；

2、外界干扰，如地线噪声等；
' I! T( j! w; Q  _* `# \
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。
9 q: G3 K* b/ I6 i1 T! g
解决方法：
1、控制器件布局和PCB走线，信号远离干扰源；

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；

! C+ r% i0 V- O, S9 T' x3、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。
; K6 o) s) {/ Y( Q* T. v$ ?, L2 o
三、回勾（台阶）
: A( |2 ^; g3 ^+ h" i# K8 a( Y如下图所示，这是回沟、台阶的常见波形图：


4 e' ^' M  k2 w) [7 q7 A1 B' _危害：
2 n: S& K) |: {) N# a6 v3 u$ |$ N1、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；
% x+ V# _7 d' b2 U! v, e
) l0 C- J8 @$ A+ C: K0 W3、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）。

产生原因：
9 O7 X4 q& j" L4 _' l  ^& V' p匹配不当， 信号放射回来形成回勾。
- V( @4 t( c1 g% S/ ~9 h
解决方法：
5 m; _6 E+ H) ~增加合适的匹配电阻。
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7 f2 x$ n' C& Q6 i- X四、信号边沿缓慢
5 l0 @. X$ ^3 F' H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。
. M% t3 o1 J  i7 G, i" a
2 X% F" X' r2 m0 A' i  J! R如下图所示，这是振荡的常见波形图：
- D4 M6 F; ~& c/ W
危害：
. m# o3 ?6 L+ p! V" k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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产生原因：
, s- r& V! v5 j, n驱动能力不够，或者负载过大（例如链路阻抗太大）。
" o& e5 B" J" |+ R9 @  o
: K7 [6 q* k( z4 n: O& o解决方法：
1、提高驱动能力
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2、减小负载

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