干貨 常見信號質(zhì)量問題、危害及其解決方法

概述在電路設計中，“信號”始終是工程師無法繞開的一個知識點。不管是在設計之初，還是在測試環(huán)節(jié)中，信號質(zhì)量問題都值得關注。在本文中，主要介紹信號相關的四類問題：信號過沖、毛刺（噪聲）、回溝（臺階）、信號邊沿緩慢。一、信號過沖如下圖是信號過沖的常見波形圖：危害1、超過正常供電范圍，會產(chǎn)生閂鎖效應(現(xiàn)在由于廠家工藝改進，閂鎖問題基本上可以得到規(guī)避。但是長時間的信號過沖會使得器件失效率增加);

2、形成干擾源，對其它器件造成串擾；3、管腳上的負電壓可能使器件PN襯底（寄生二極管）前向偏置，流過的大電流過大時，熔斷鍵絲產(chǎn)生開路；產(chǎn)生原因1、其它相鄰信號串擾；2、器件驅(qū)動能力太強；3、沒有匹配或者匹配不當；解決方法1、PCB布線避開干擾源和耦合路徑；2、增加電阻匹配，參考做法是源端串電阻或者末端并電阻，減少過沖；如下圖是不同匹配電阻下同一信號的上升沿波形，可以看出，通過調(diào)節(jié)源端匹配電阻，可以減緩信號上升沿。二、毛刺（噪聲）如下圖是毛刺的常見波形圖：危害容易造成控制信號控制錯誤或時鐘信號相位發(fā)生錯誤：1、數(shù)據(jù)線上的毛刺如果被采樣到，可能造成判斷結(jié)果錯誤；2、邊沿觸發(fā)的器件中，時鐘線上的毛刺可能會使得采樣到多余的數(shù)據(jù)（相當于多了一拍時鐘）；產(chǎn)生原因1、PCB走線串擾（例如數(shù)據(jù)線和時鐘線并行走線較長，信號線放置在晶振等干擾源附近）；2、外界干擾，如地線噪聲等；3、邏輯出現(xiàn)競爭、冒險；注：兩個輸入信號同時向相反方向的邏輯電平跳變的現(xiàn)象（即一個由1--->0，另一個從0--->1），稱為競爭。因競爭導致在輸出端可能產(chǎn)生尖峰脈沖的現(xiàn)象，稱為冒險。解決方法1、控制器件布局和PCB走線，信號遠離干擾源；2、添加去耦電容或輸出濾波等，濾波器件盡量靠近信號管腳；3、邏輯設計中添加冗余項，或者采用同步邏輯設計，避免競爭冒險；三、回勾（臺階）如下圖是回溝、臺階的常見波形圖：危害1、主要是時鐘類信號上的回勾有危害，可能會使得采樣到多余的數(shù)據(jù)（相當于多了一拍時鐘），影響了時鐘信號上升沿和下降沿的單調(diào)性；2、對于電源信號，上電邊沿的回勾可能導致系統(tǒng)死機，需要結(jié)合復位信號判斷是否可以接受；3、數(shù)據(jù)信號由于一般是在數(shù)據(jù)的中間采樣，回勾的影響不是很大（除非速率很高，建立保持時間1～2ns，這時需要考慮回勾對數(shù)據(jù)的影響）；產(chǎn)生原因匹配不當，信號放射回來形成回勾。解決方法增加合適的匹配電阻。四、信號邊沿緩慢由于驅(qū)動不足或者負載過大，信號邊沿緩慢常常伴隨著信號幅度較低現(xiàn)象。如下圖是振蕩的常見波形圖：危害上升、下降沿緩慢發(fā)生在數(shù)據(jù)信號線上（串口信號線，HW信號線等）時，會