方波信号就是指电路系统中,能在要求的时间内不失真地从源端传送到接收端的信号。
定义
信号具有良好的方波信号是指当在需要的时候,具有所必需达到的
电压电平数值。差的方波信号不是由某一单一因素导致的,而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的方波信号问题包括反射、振荡、
地弹、
串扰等。
基本概念
由两个具有一定长度的导体组成回路的连接线,我们称之为
传输线,有时也被称为
延迟线。
在一般的电路分析中,电路的所有参数,如阻抗、
容抗、
感抗都集中于空间的各个点上,各个元件上,各点之间的信号是瞬间传递的,这种理想化的
电路模型称为
集总电路。
分布式系统(Distributed System)
实际的电路情况是各种参数分布于电路所在空间的各处,当这种
分散性造成的信号
延迟时间与信号本身的变化时间相比已不能忽略的时候,整个
信号通道是带有电阻、电容、电感的
复杂网络,这就是一个典型的
分布参数系统。
信号从
低电平跳变为
高电平所需要的时间,通常是量度上升/
下降沿在10%-90%电压
幅值之间的
持续时间,记为Tr。
这是表征
数字电路中集中了大部分能量的
频率范围(0.5/Tr),记为Fknee,一般认为超过这个频率的能量对
数字信号的传输没有任何影响。
特征阻抗(Characteristic Impedance)
交流信号在传输线上传播中的每一步遇到不变的瞬间阻抗就被称为特征阻抗,也称为
浪涌阻抗,记为Z0。可以通过
传输线上
输入电压对输入电流的比率值(V/I)来表示。
指信号在
传输线上的传播延时,与线长和信号
传播速度有关,记为tPD。
指当
信号频率提高时,流动电荷会渐渐向
传输线的边缘靠近,甚至中间将没有电流通过。与此类似的还有集束效应,现象是电流密集区域集中在导体的内侧。
反射(Reflection)
指由于
阻抗不匹配而造成的信号能量的不
完全吸收,发射的程度可以有
反射系数ρ表示。
过冲/下冲(Over shoot/under shoot)
过冲就是指接收信号的第一个峰值或
谷值超过设定电压——对于
上升沿是指第一个峰值超过最高电压;对于
下降沿是指第一个谷值超过最低电压,而下冲就是指第二个谷值或峰值。
振荡
在一个
时钟周期中,反复的出现过冲和下冲,我们就称之为振荡。振荡根据表现形式可分为
振铃(Ringing)和
环绕振荡,振铃为欠阻尼振荡,而环绕振荡为过阻尼振荡。
匹配(Termination)
指为了消除反射而通过添加电阻或电容器件来达到阻抗一致的效果。因为通常采用在源端或终端,所以也称为端接。
串扰是指当信号在传输线上传播时,因
电磁耦合对相邻的
传输线产生的不期望的电压
噪声干扰,这种干扰是由于传输线之间的互感和互容引起的。
信号回流(Return current)
指伴随信号传播的返回电流。
信号在传输线上传播时,靠大电容耦合抑制电场,靠小
电感耦合抑制磁场来维持低
电抗的方法称为
自屏蔽。
指
干扰源对牺牲源的接收端产生的第一次干扰,也称为远端干扰(Far-end crosstalk)。
后向串扰(Forward Crosstalk)
指
干扰源对牺牲源的发送端产生的第一次干扰,也称为近端干扰(Near-end crosstalk)。
屏蔽效率(SE)
吸收损耗是指
电磁波穿过
屏蔽罩的时候
能量损耗的数量。
反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量,他随着
波阻和屏蔽阻抗的比率而变化。
表示屏蔽效率下降的情况的参数,由于屏蔽物
吸收效率不高,其内部的再反射会使穿过
屏蔽层另一面的能量增加,所以
校正因子是个负数,而且只使用于薄屏蔽罩中存在多个反射的情况分析。
传输线上电流从驱动端流到接收端的时候和它回流之间
耦合产生的EMI,就叫做差模EMI。
当两条或者多条
传输线以相同的相位和方向从驱动端输出到接收端的时候,就会产生共模辐射,既共模EMI。
发射带宽
即最高频率发射带宽,当
数字集成电路从逻辑高低之间转换的时候,输出端产生的
方波信号频率并不是导致EMI的唯一成分。该方波中包含频率范围更宽广的正弦
谐波分量,这些正弦谐波分量是工程师所关心的EMI频率成分,而最高的EMI频率也称为EMI的发射带宽。
任何能引起装置、设备或
系统性能降低或者对有生命或者
无生命物质产生
损害作用的
电磁现象。
设备或者系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的
电磁骚扰的能力。
系统内干扰
有其他系统产生的电磁干扰对一个系统造成的电磁干扰。
具有不同静电电位的物体相互接近或者接触时候而引起的
电荷转移。
建立时间就是接收器件需要数据提前于时钟沿稳定存在于输入端的时间。
为了成功的锁存一个信号到接收端,器件必须要求数据信号在被时钟沿触发后继续保持一段时间,以确保数据被正确的操作。这个最小的时间就是我们说的保持时间。
指信号从驱动端传输到接收端,并达到一定的
电平之间的延时,和
传输延迟和
上升时间有关。
Tco
是指器件的输入时钟边缘触发有效到
输出信号有效的时间差,这是信号在器件内部的所有延迟总和,一般包括逻辑延迟和缓冲延迟。缓冲延迟(buffer delay):指信号经过
缓冲器达到有效的电压输出所需要的时间
时钟抖动是指时钟触的,和后期布线没有关系。
是指由同样的时钟产生的多个子
时钟信号之间的延时差异。
假时钟
假时钟是指时钟越过阈值(threshold)无意识地改变了状态(有时在VIL 或VIH之间)。通常由于过分的
下冲(undershoot)或
串扰(crosstalk)引起。
其它
电源完整性(Power Integrity): 指电路系统中的电源和地的质量。
同步开关噪声(Simultaneous Switch Noise):指当器件处于开关状态,产生瞬间变化的电流(di/dt),在经过回流途径上存在的电感时,形成交流压降,从而引起噪声,简称SSN。也称为Δi噪声。
地弹(Ground Bounce):指由于封装电感而引起
地平面的波动,造成芯片地和系统地不一致的现象。同样,如果是由于封装电感引起的芯片和系统电源差异,就称为电源反弹(Power Bounce)。