常见信号质量问题、危害及其解决方法

[导读]大家好，我是记得诚。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。在本文中，主要介绍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、信号过冲如下图是信号过冲的常见波形图：危害1、超过...

大家好，我是记得诚。

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。在本文中，主要介绍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；

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；

产生原因

1、其它相邻信号串扰；

2、器件驱动能力太强；

3、没有匹配或者匹配不当；

解决方法

1、 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。

二、毛刺（噪声）

如下图是毛刺的常见波形图：

危害

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）；

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；

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。

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；

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）

如下图是回沟、台阶的常见波形图：

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；

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）；

产生原因

匹配不当，信号放射回来形成回勾。

解决方法

增加合适的匹配电阻。

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。

如下图是振荡的常见波形图：

危害

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。

产生原因

驱动能力不够，或者负载过大（例如链路阻抗太大）。

解决方法

1、提高驱动能力；

2、减小负载；

常见信号质量问题、危害及其解决方法

一、信号过冲

危害

产生原因

解决方法

二、毛刺（噪声）

危害

产生原因

解决方法

三、回勾（台阶）

危害

产生原因

解决方法

四、信号边沿缓慢

危害

产生原因

解决方法

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