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電磁兼容和信號完整性的一些問題的分析

發表時間:2017/1/16  來源:互聯網,RF技術社區  瀏覽次數:13833  
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什么是電磁干擾(EMI)和電磁兼容性(EMC)?
 
電磁干擾(Electromagnetic Interference),有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網絡。在高速PCB及系統設計中,高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源,能發射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。
 
自從電子系統降噪技術在70年代中期出現以來,主要由于美國聯邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992提出了對商業數碼產品的有關規章,這些規章要求各個公司確保它們的產品符合嚴格的磁化系數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。
 
什么是信號完整性(signal integrity)?
 
信號完整性是指信號在信號線上的質量。信號具有良好的信號完整性是指當在需要的時候,具有所必需達到的電壓電平數值。差的信號完整性不是由某一單一因素導致的,而是板級設計中多種因素共同引起的。主要的信號完整性問題包括反射、振蕩、地彈、串擾等。
 
常見信號完整性問題及解決方法問題
 
問題 可能原因 解決方法 其他解決方法
過大的上沖 終端阻抗不匹配 終端端接 使用上升時間緩慢的驅動源
直流電壓電平不好 線上負載過大 以交流負載替換直流負載 使用能提供更大驅動電流的驅動源
過大的串擾 線間耦合過大 使用上升時間緩慢的主動驅動源 在接收端端接,重新布線或檢查地平面
時延太大 傳輸線距離太長 替換或重新布線, 檢查串行端接 使用阻抗匹配的驅動源, 變更布線策略
振蕩 阻抗不匹配 在發送端串接阻尼電阻   
 
什么是反射(reflection)? 
 
反射就是在傳輸線上的回波。信號功率(電壓和電流)的一部分傳輸到線上并達到負載處,但是有一部分被反射了。如果源端與負載端具有相同的阻抗,反射就不會發生了。
 
源端與負載端阻抗不匹配會引起線上反射,負載將一部分電壓反射回源端。如果負載阻抗小于源阻抗,反射電壓為負,反之,如果負載阻抗大于源阻抗,反射電壓為正。布線的幾何形狀、不正確的線端接、經過連接器的傳輸及電源平面的不連續等因素的變化均會導致此類反射。
 
什么是串擾(crosstalk)?
 
串擾是兩條信號線之間的耦合,信號線之間的互感和互容引起線上的噪聲。容性耦合引發耦合電流,而感性耦合引發耦合電壓。PCB板層的參數、信號線間距、驅動端和接收端的電氣特性及線端接方式對串擾都有一定的影響。
 
什么是過沖(overshoot)和下沖(undershoot)?
 
過沖就是第一個峰值或谷值超過設定電壓——對于上升沿是指最高電壓而對于下降沿是指最低電壓。下沖是指下一個谷值或峰值。過分的過沖能夠引起保護二極管工作,導致過早地失效。過分的下沖能夠引起假的時鐘或數據錯誤(誤操作)。
 
什么是振蕩(ringing)和 環繞振蕩(rounding)?
 
振蕩的現象是反復出現過沖和下沖。信號的振蕩和環繞振蕩由線上過度的電感和電容引起,振蕩屬于欠阻尼狀態而環繞振蕩屬于過阻尼狀態。信號完整性問題通常發生在周期信號中,如時鐘等,振蕩和環繞振蕩同反射一樣也是由多種因素引起的,振蕩可以通過適當的端接予以減小,但是不可能完全消除。
 
什么是地電平面反彈噪聲和回流噪聲?
 
在電路中有大的電流涌動時會引起地平面反彈噪聲(簡稱為地彈),如大量芯片的輸出同時開啟時,將有一個較大的瞬態電流在芯片與板的電源平面流過,芯片封裝與電源平面的電感和電阻會引發電源噪聲,這樣會在真正的地平面(0V)上產生電壓的波動和變化,這個噪聲會影響其它元器件的動作。負載電容的增大、負載電阻的減小、地電感的增大、同時開關器件數目的增加均會導致地彈的增大。
 
由于地電平面(包括電源和地)分割,例如地層被分割為數字地、模擬地、屏蔽地等,當數字信號走到模擬地線區域時,就會產生地平面回流噪聲。同樣電源層也可能會被分割為2.5V,3.3V,5V等。所以在多電壓PCB設計中,地電平面的反彈噪聲和回流噪聲需要特別關心。
 
在時域(time domain)和頻域(frequency domain)之間有什么不同?
 
時域(time domain)是以時間為基準的電壓或電流的變化的過程,可以用示波器觀察到。它通常用于找出管腳到管腳的延時(delays)、偏移(skew)、過沖(overshoot)、、下沖(undershoot)以及建立時間(settling times)。
 
頻域(frequency domain)是以頻率為基準的電壓或電流的變化的過程,可以用頻譜分析儀觀察到。它通常用于波形與FCC和其它EMI控制限制之間的比較。
 
什么是阻抗(impedance)?
 
阻抗是傳輸線上輸入電壓對輸入電流的比率值(Z0=V/I)。當一個源送出一個信號到線上,它將阻礙它驅動,直到2*TD時,源并沒有看到它的改變,在這里TD是線的延時(delay)。
 
什么是建立時間(settling time)?
 
建立時間就是對于一個振蕩的信號穩定到指定的最終值所需要的時間。
 
什么是管腳到管腳(pin-to-pin)的延時(delay)?
 
管腳到管腳延時是指在驅動器端狀態的改變到接收器端狀態的改變之間的時間。這些改變通常發生在給定電壓的50%,最小延時發生在當輸出第一個越過給定的閾值(threshold),最大延時發生在當輸出最后一個越過電壓閾值(threshold) ,測量所有這些情況。
 
什么是偏移(skew)?
 
信號的偏移是對于同一個網絡到達不同的接收器端之間的時間偏差。偏移還被用于在邏輯門上時鐘和數據達到的時間偏差。
 
什么是斜率(slew rate)?
 
Slew rate就是邊沿斜率(一個信號的電壓有關的時間改變的比率)。I/O 的技術規范 (如PCI)狀態在兩個電壓之間,這就是斜率(slew rate),它是可以測量的。
 
什么是靜態線(quiescent line)?
 
在當前的時鐘周期內它不出現切換。另外也被稱為 &#39;stuck-at&#39; 線或static線。串擾(Crosstalk)能夠引起一個靜態線在時鐘周期內出現切換。
 
什么是假時鐘(false clocking)?
 
假時鐘是指時鐘越過閾值(threshold)無意識地改變了狀態(有時在VIL 或VIH之間)。通常由于過分的下沖(undershoot)或串擾(crosstalk)引起。
 
什么是IBIS模型?
 
IBIS(Input/Output Buffer Information Specification)模型是一種基于V/I曲線的對I/O BUFFER快速準 確建模的方法,是反映芯片驅動和接收電氣特性的一種國際標準,它提供一種標準的文件格式來記錄如驅動源輸出阻抗、上升/下降時間及輸入負載等參數,非常適合做振蕩和串擾等高頻效應的計算與仿真。
 
IBIS規范最初由一個被稱為IBIS開放論壇的工業組織編寫,這個組織是由一些EDA廠商、計算機制造商、半導體廠商和大學組成的。IBIS的版本發布情況為:1993年4月第一次推出Version1.0版,同年6月經修改后發布了Version1.1版,1994年6月在San Diego通過了Version2.0版,同年12月升級為Version2.1版,1995年12 月其Version2.1版成為ANSI/EIA-656標準,1997年6月發布了Version3.0版,同年9月被接納為IEC 62012-1 標準,1998年升級為Version3.1版,1999年1月推出了當前最新的版本Version3.2版。
 
IBIS本身只是一種文件格式,它說明在一標準的IBIS文件中如何記錄一個芯片的驅動器和接收器的不同參數,但并不說明這些被記錄的參數如何使用,這些參數需要由使用IBIS模型的仿真工具來讀取。
 
欲使用IBIS進行實際的仿真,需要先完成以下四件工作:
 
(1)獲取有關芯片驅動器和接收器的原始信息源;
 
(2)獲取一種將原始數據轉換為IBIS格式的方法;
 
(3)提供用于仿真的可被計算機識別的布局布線信息;
 
(4)提供一種能夠讀取IBIS和布局布線格式并能夠進行分析計算的軟件工具。
 
 
IBIS是一種簡單直觀的文件格式,很適合用于類似于Spice(但不是Spice,因為IBIS文件格式不能直接被Spice工具讀?。┑碾娐贩抡婀ぞ?。它提供驅動器和接收器的行為描述,但不泄漏電路內部構造的知識產權細節。換句話說,銷售商可以用IBIS模型來說明它們最新的門級設計工作,而不會給其競爭對手透露過多的產品信息。并且,因為IBIS是一個簡單的模型,當做簡單的帶負載仿真時,比相應的全Spice三極管級模型仿真要節省10~15倍的計算量。
 
IBIS提供兩條完整的V-I曲線分別代表驅動器為高電平和低電平狀態,以及在確定的轉換速度下狀態轉換的曲線。V-I曲線的作用在于為IBIS提供保護二極管、TTL圖騰柱驅動源和射極跟隨輸出等非線性效應的建模能力。
 
由上可知,IBIS模型的優點可以概括為:
 
在I/O非線性方面能夠提供準確的模型,同時考慮了封裝的寄生參數與ESD結構;
 
提供比結構化的方法更快的仿真速度;
 
可用于系統板級或多板信號完整性分析仿真??捎肐BIS模型分析的信號完整性問題包括:串擾、反 射、振蕩、上沖、下沖、不匹配阻抗、傳輸線分析、拓撲結構分析。IBIS尤其能夠對高速振蕩和串擾進行準確精細的仿真,它可用于檢測最壞情況的上升時間條件下的信號行為及一些用物理測試無法解決的情況;
 
模型可以免費從半導體廠商處獲取,用戶無需對模型付額外開銷;
 
兼容工業界廣泛的仿真平臺。
 
當然,IBIS不是完美的,它也存在以下缺點:
 
許多芯片廠商缺乏對IBIS模型的支持。而缺乏IBIS模型,IBIS工具就無法工作。雖然IBIS文件可以手工創建或通過Spice模型自動轉換,但是如果無法從廠家得到最小上升時間參數,任何轉換工具都無能為力
 
IBIS不能理想地處理上升時間受控的驅動器類型的電路,特別是那些包含復雜反饋的電路;
 

IBIS缺乏對地彈噪聲的建模能力。IBIS模型2.1版包含了描述不同管腳組合的互感,從這里可以提取一些非常有用的地彈信息。它不工作的原因在于建模方式,當輸出由高電平向低電平跳變時,大的地彈電壓可以改變輸出驅動器的行為。

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