电路设计中躲不开的“信号”，这4类问题帮你总结好了！

显示全部楼层 · 2024-2-23 08:31:30

00【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。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。
01【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。

02【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；
03【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。
04【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；

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