干貨 常見信號(hào)質(zhì)量問題、危害及其解決方法

概述在電路設(shè)計(jì)中，“信號(hào)”始終是工程師無法繞開的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。不管是在設(shè)計(jì)之初，還是在測(cè)試環(huán)節(jié)中，信號(hào)質(zhì)量問題都值得關(guān)注。在本文中，主要介紹信號(hào)相關(guān)的四類問題：信號(hào)過沖、毛刺（噪聲）、回溝（臺(tái)階）、信號(hào)邊沿緩慢。一、信號(hào)過沖如下圖是信號(hào)過沖的常見波形圖：危害1、超過正常供電范圍，會(huì)產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)(現(xiàn)在由于廠家工藝改進(jìn)，閂鎖問題基本上可以得到規(guī)避。但是長時(shí)間的信號(hào)過沖會(huì)使得器件失效率增加);

2、形成干擾源，對(duì)其它器件造成串?dāng)_；3、管腳上的負(fù)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(shí)，熔斷鍵絲產(chǎn)生開路；產(chǎn)生原因1、其它相鄰信號(hào)串?dāng)_；2、器件驅(qū)動(dòng)能力太強(qiáng)；3、沒有匹配或者匹配不當(dāng)；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(hào)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(hào)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(hào)控制錯(cuò)誤或時(shí)鐘信號(hào)相位發(fā)生錯(cuò)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(cuò)誤；2、邊沿觸發(fā)的器件中，時(shí)鐘線上的毛刺可能會(huì)使得采樣到多余的數(shù)據(jù)（相當(dāng)于多了一拍時(shí)鐘）；產(chǎn)生原因1、PCB走線串?dāng)_（例如數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線并行走線較長，信號(hào)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(jìng)爭(zhēng)、冒險(xiǎn)；注：兩個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)向相反方向的邏輯電平跳變的現(xiàn)象（即一個(gè)由1--->0，另一個(gè)從0--->1），稱為競(jìng)爭(zhēng)。因競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致在輸出端可能產(chǎn)生尖峰脈沖的現(xiàn)象，稱為冒險(xiǎn)。解決方法1、控制器件布局和PCB走線，信號(hào)遠(yuǎn)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(hào)管腳；3、邏輯設(shè)計(jì)中添加冗余項(xiàng)，或者采用同步邏輯設(shè)計(jì)，避免競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)；三、回勾（臺(tái)階）如下圖是回溝、臺(tái)階的常見波形圖：危害1、主要是時(shí)鐘類信號(hào)上的回勾有危害，可能會(huì)使得采樣到多余的數(shù)據(jù)（相當(dāng)于多了一拍時(shí)鐘），影響了時(shí)鐘信號(hào)上升沿和下降沿的單調(diào)性；2、對(duì)于電源信號(hào)，上電邊沿的回勾可能導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)，需要結(jié)合復(fù)位信號(hào)判斷是否可以接受；3、數(shù)據(jù)信號(hào)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(shí)間1～2ns，這時(shí)需要考慮回勾對(duì)數(shù)據(jù)的影響）；產(chǎn)生原因匹配不當(dāng)，信號(hào)放射回來形成回勾。解決方法增加合適的匹配電阻。四、信號(hào)邊沿緩慢由于驅(qū)動(dòng)不足或者負(fù)載過大，信號(hào)邊沿緩慢常常伴隨著信號(hào)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(hào)線上（串口信號(hào)線，HW信號(hào)線等）時(shí)，會(huì)