高速DSP數據采集的信號完整性問題
摘要：深入研究高速數字電路設計中的信號完整性問題；分析電路中破壞信號完整性的原因；結合一個實際的ＤＳＰ數據采集系統、闡述實現信號完整性的具體方案。引言
當前，日漸精細的半導體工藝使得晶體管尺寸越來越小，因而器件的信號跳變也就越來越快，高速數字系統的快斜率瞬變和極高的工作頻率，以及很大的電路密集度，導致高速數字電路系統設計領域的信號完整性問題以及電磁兼容性問題日趨嚴重。破壞了信號完整性將直接導致信號失真、定時錯誤，以及產生不正確數據、地址和控制信號，從而千萬系統誤工作甚至導致系統崩潰。因此，信號完整性問題已經越來越引起高速數字電路設計人員的關注。
１ 信號完整性問題產生的機理
信號完整性的問題主要包括傳輸線效應，如反射、時延、振鈴、信號的過程與下沖以及信號之間的串擾等，涉及傳輸線上的信號質量及信號定時的準確性。
良好的信號質量是確保穩定時序的關鍵。由于反射和串擾造成的信號質量問題都很可能帶來時序的偏移和紊亂。例如，串擾會影響信號的傳播延遲，導致在時鐘的上升沿或下降沿處采不到準確的邏輯；反射會造成數據信號在邏輯門限附近波動，從而影響信號上升沿或下降沿變化；時鐘走線的干擾會造成一定的時鐘偏移。
信號完整性分析與設計是最重要的高速ＰＣＢ板級和系統級分析與設計手段，在硬件電路設計中扮演著越來越重要的作用。一個數字系統能否正確工作，其關鍵在于信號定時是否準確。信號定時和信號在傳輸線上的傳輸延遲與信號波形的損壞程度密切相關。信號傳輸延遲和波形破損的原因復雜多樣，但主要是以下三種原因破壞了信號的完整性。
①電源、地址噪聲。它主要是源自于電源路徑以及ＩＣ封裝所造成的分布電感的存在。當系統的速度愈快，同時轉換邏輯狀態的Ｉ／Ｏ引腳個數愈多時，會產生較大的瞬態電流，導致電源線上和地線睥電壓波動和變化，這就是平進所說的接地反彈。接地反彈是數字系統的幾個主要噪聲來源之一。接地反彈的噪聲常見的現象是，會造成系統的邏輯運作產生誤動作，尤其近年來日益風行的3.3V邏輯家族。
②串擾。信號在沿著傳輸線傳輸時，是以電磁波的形式傳輸的。電磁波包含時變的電場和磁場。因為電磁場的能量主要是在傳輸線的外部，根據麥克斯韋方程知道，時變場會在周圍的傳輸線產生電壓和電流。那么對受到干擾的傳輸線而言，這個電壓和電流就是由串擾造成的。串擾主要源自兩相鄰導體之間所形成的互感與互容。串擾會隨著印刷電路板的繞線布局密度增加而越顯嚴重，尤其是長距離總線的布局，更容易發生串擾的現象。這種現象是經由互容互感將能量由一個傳輸線耦合到相鄰傳輸線上的。
③反射。反射現象的原因是：信號傳輸線的兩端沒有適當的阻抗匹配，印刷電路板上的分支布局產生特性阻抗的斷點，過孔的尺寸以及其它互連所造成的阻抗不連續。所謂特性阻抗是定義為，“當導線上流經有高頻信號時，所呈現的電壓／電流比值”。那么對于確定的傳輸線而言，其特性阻抗為一個常數。信號的反射現象就是因為信號的驅動端和傳輸線的特性阻抗以及接收端的阻抗不一致所造成的。
２ 保證信號完整性的方法
２．１ 抑制接地反彈
通過以上分析可知，電源路么以及ＩＰ封裝所造成的分布電感是決定接地反彈的關鍵之一。要抑制接地反彈的影響，首先是減少ＩＣ封裝的分布電感。在考慮ＩＣ引腳的配置圖時，就應該將時鐘脈沖信號或數據／地址總線的引腳位置擺放在較靠近芯片的地方。其次，是采用分布電感量較小的ＩＣ封裝技術。表１列舉了幾種常見的ＩＣ封裝技術的分布電感量，可以看出表面貼片的封裝技術通常會比ＤＩＰ封裝技術少３０％的接地反彈；然后是降低印刷電路板端的分布電感量。由于電感與導體的長度成正比，與寬度成反比，所以在高速數字系統里大都采用多層板。其中會在里層擺放一個或一個以上的接地層，接地層面積相當寬廣，目的旨在減少其地端回路的電感量。另外，電路設計時應盡可能避免讓某個邏輯門驅動太多的負載。因為在數字電路若有多個并聯的邏輯裝置。總輸入電容是將每個邏輯裝置的輸入電容直接相加。
表1 幾種IC封裝技術的分布電感與電容
２．２ 解決串擾問題
信號之間由于電磁場的相互耦合而產生的不期望的噪聲電壓信號稱為信號串擾。“串擾”主要是源自兩相領導體之間的所形成的互感和互容。串擾超出一定的值將可能引發電路誤動作，從而導致系統無法正常工作。下面分別探討互容、互感與串擾的關系，以及如何解決串擾問題。
（１）電容耦合
串擾＝(ＺbCm)/tr
式中，Ｚb為受擾線的特性阻抗；Ｃm為互容；tr為輸入到干擾線的入射電壓之上升時間。
要改善互容產生的串擾，可以從兩個方面著手。一是減少互容Ｃm,做法是在兩相鄰的傳輸線中間加進屏蔽措施。通常，在兩個銅箔通路中加裝一個接地屏蔽通路，用以改善互容的干擾。二是在時序規定允許的情況下，增加轉態較頻繁的信號之上升時間。
改善互感所產生的串擾，惟有減少流經互感的電流所形成的回路面積才是較為簡易可行的辦法。可以借助降低導線與接地平面之間的距離，減小并行信號長度，縮短信號層與平面層的間距，增大信號線間距等措施，來減少兩導線的互感量。
２．３ 改善反射
反射是產生干擾的幾個重要來源之一。為改善因線路的阻抗不匹配而造成反射的現象，可以選擇采用“布線拓撲”和“終端技巧”的辦法。
利用適當的布線拓撲法來改善反射現象，通常不需要增添額外的電子組件（例如，終端電阻或者鉗位二極管）。常見的布線拓撲法有４種，分別是樹狀法、菊鏈法、星狀法和回路法，如圖１所示。其中樹狀法是最差的布線法，它所造成的反射量最大，額外的負載效應和振鈴現象都需要加費心來處理；就“反射”的觀點，菊鏈法是較佳的布線法
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